Тиристоры

4. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

4.1. Физика работы тиристоров

4.1.1. Диодные тиристоры

Рекомендуемые материалы

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

4.1.2. Структура и принцип действия

         Структура диодного тиристора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рисунок 4.1,а). Кроме трех выпрямляющих переходов диодный тиристор имеет два омических перехода. Один из омических переходов расположен между крайней n-областью и металлическим электродом, который называют катодом. Другой омический переход расположен между крайней р-областью  и металлическим электродом, который называют анодом.

Рисунок 4.1 - Энергетические зонные диограммы теристора

Вначале рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре  при подаче на него прямого напряжения, т.е. при положительном потенциале на аноде. В этом случае крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний р-n-переход смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (- и -эмиттеры) и две базовые области (- и -базы).

         Большая часть внешнего прямого напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении. Поэтому первый участок прямой ветви ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из -эмиттера в -базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в -базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода  (рисунок 4.1, б). Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллеткорному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в р-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обуславливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

         Накопление неравновесных носителей в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов  на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении. Поэтому с увеличением тока через тиристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении.

         Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом.

         Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения. Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой  дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии (участок 1 ВАХ на рисунке 4.2) к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал.

         Открытое состояние  тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви ВАХ. На рисунке 4.2 открытому состоянию тиристора соответствует участок 2 ВАХ. Между первым и вторым участками ВАХ находится переходной участок, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора. Особенно проявляется неустойчивость при относительно малом сопротивлении во внешней цепи тиристора.

Рисунок 4.2 - ВАХ теристора

         В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшить до некоторого значения, меньшего удерживающего тока I_уд., то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на выпрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние (см. рисунок 4.2). Таким образом, удерживающий ток тиристора – это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

4.1.3. Закрытое состояние

         Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов VT₁ и VT₂, соединенных между собой, как показано на рисунке 4.3. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи, пользуясь параметрами одномерной теоретической модели транзистора:

Рисунок 4.3 - Представление теристора в виде двух транзисторов

                                            (4.1)

где , и  – токи через первый, второй и третий p-n-переходы;  и  – статические коэффициенты передачи токов эмиттера одномерных теоретических моделей первого и второго транзисторов;  – обратный ток коллектора, который является  общим для обоих транзисторов, составляющих структуру тиристора. В закрытом состоянии тиристора из всего потока инжектированных в каждую базу неосновных носителей заряда только меньшая часть доходит до коллекторного перехода. Основной  механизм образования обратного тока коллектора – генерация носителей заряда в коллекторном переходе.

         Для двухэлектродной структуры диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:

                                                 (4.2)

         Тогда анодный ток тиристора

                                                 (4.3)

где  – суммарный статический коэффициент передачи тока тиристорной структуры.

         Выражение (4.3) представляет собой уравнение ВАХ диодного тиристора в зарытом состоянии. Напомним, что статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора растет с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в эмиттерном переходе и появления электрического поля в базе из-за  увеличения градиента концентрации носителей заряда. Коэффициент передачи тока эмиттера растет также с увеличением напряжения на коллекторном переходе в результате уменьшения толщины  базы и увеличения коэффициента лавинного размножения в коллекторном переходе. Эти четыре физических фактора вызывают рост суммарного статического коэффициента передачи тока тиристорной структуры при увеличении напряжения и соответственно тока в закрытом состоянии тиристора.

         При достижении суммарным статическим коэффициентом передачи значения, равного единице, в соответствии с (4.3) анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит переключение диодного тиристора из закрытого состояния в открытое. Во время переключения ток через тиристор, конечно, должен быть ограничен сопротивлением нагрузки, иначе тиристор может выйти из строя.

4.1.4. Условие переключения тиристора

         В точке переключения тиристора дифференциальное сопротивление равно нулю. Выясним условие, при котором дифференциальное сопротивление тиристора может стать равным нулю. До переключения тиристора в открытое состояние практически все напряжение, приложенное к тиристору, падает на коллекторном переходе. Дифференцируя (5.1) по напряжению с учетом (5.2) и считая

получим

              (4.4)

         В скобках числителя (4.4) стоят выражения для дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера одномерных теоретических моделей транзисторов. Действительно, . Отсюда дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели транзистора  Таким образом, из (4.4) следует, что переключение тиристора из закрытого состояния  в открытое должно произойти при условии равенства единице суммарного дифференциального коэффициента передачи тока тиристорной структуры, т.е.

                                                 (4.5)

         Обычно это условие удовлетворяется раньше, чем условие равенства единице статических коэффициентов передачи тока первого и второго транзисторов, составляющих тиристорную структуру, так как дифференциальные коэффициенты передачи больше статических.

         Ничтожное превышение дифференциального коэффициента передачи тока над единицей означает, что приращение тока коллектора больше, чем приращение тока эмиттера. Именно при таком условии р-база заряжается положительно, а n-база – отрицательно (об этом шла речь вначале параграфа). Избыточные заряды в базовых областях уменьшают напряжение на коллекторном переходе, а следовательно, и на всей тиристорной структуре, что соответствует переходному участку ВАХ тиристора – участку отрицательного дифференциального сопротивления.

         При переключении диодного тиристора из закрытого состояния в открытое из-за роста проходящего тока суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока увеличивается. Одновременно уменьшение напряжения на коллекторном переходе вызывает уменьшение того же коэффициента. Поэтому соотношение (4.5) можно считать не только условием переключения тиристора из закрытого состояния в открытое, но и уравнением ВАХ на переходном ее участке. В действительности сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных структур, составляющих тиристорную структуру, во время переключения несколько превышает единицу.

4.1.5. Открытое состояние

         В открытом состоянии значение суммарного коэффициента передачи тока тиристорной структуры превышает единицу, т.е. большая часть носителей заряда, инжектированных из эмиттерных областей, доходит до коллекторного перехода. Для открытого состояния при установившемся токе через диодный тиристор также должен сохраниться баланс токов. Поэтому необходимо предположить инжекцию дырок через коллекторный переход из р-базы в n-базу и инжекцию электронов в другом направлении, позволяет понять существование равенства полных потоков носителей заряда разных знаков во всех сечениях тиристорной структуры при установившемся режиме в открытом состоянии.

         Коллекторный переход смещен в прямом направлении из-за избыточных зарядов основных носителей в базовых областях, накопленных там в процессе переключения тиристора.

         Падение напряжения на диодном тиристоре в открытом состоянии представляет собой сумму напряжений на всех p-n-переходах (с учетом инверсии полярности напряжения на коллекторном переходе), на объемном сопротивлении различных областей (в основном слаболегированной базы) и на омических переходах.

         При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, а коллекторный переход – в прямом. В этом случае нет условий для переключения тиристора, а обратное напряжение может быть ограничено либо лавинным пробоем эмиттерных переходов, либо эффектом смыкания переходов в результате расширения одного из эмиттерных переходов, смещенных в обратном направлении, на всю толщину слаболегированной базы.

4.1.6. Диодный тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом

         Переключение  тиристора из закрытого состояния в открытое в соответствии с (4.5) происходит при возрастании суммарного дифференциального коэффициента передачи тока до единицы. В то же время в каждой из транзисторных структур, составляющих  тиристор, коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице уже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начального значения коэффициента передачи одну из базовых областей всех тиристоров делают относительно толстой (до 200 мкм).

         Для уменьшения коэффициента передачи тока эмиттера другого транзистора его эмиттерный переход шунтируют объемным сопротивлением прилегающей  базовой области (рисунок 4.4). Такое  шунтирование осуществляют путем нанесения  одного из основных электродов (например, катода) не только на эмиттерную область, но и частично на поверхность прилегающей базовой области. Шунтирование обеспечивает малые значения коэффициента передачи тока при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этом проходит по шунтирующему сопротивлению базы, минуя левый (рисунок 4.4) эмиттерный переход в связи с его относительно большим сопротивлением при малых напряжениях. При больших напряжениях на тиристоре сопротивление левого эмиттерного перехода становится меньше шунтирующего сопротивления базы. Это значит, что теперь почти весь ток будет проходить через эмиттерный переход и будет вызван инжекцией неосновных носителей заряда в прилегающую базовую область.

Рисунок 4.4 - Структура диодного тиристора с зашунтированным эмиттерным переходом

         Шунтирование, во-первых, дает возможность создавать тиристоры с большими значениями напряжения включения. Во-вторых, при шунтировании эмиттерного перехода получается более резкая зависимость коэффициента передачи тока от напряжения и от тока. Поэтому тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом будет иметь так называемую жесткую характеристику переключения, т.е. будет переходить из закрытого в открытое состояние каждый раз при одном и то же напряжении включения. Наоборот, при слабой зависимости коэффициента передачи тока от напряжения и от тока переключение тиристора из закрытого состояния в открытое может происходить при различных значениях напряжения включения, т.е. тиристор в этом случае будет иметь так называемую мягкую характеристику переключения.

4.2.  Разновидности тиристоров

4.2.1. Триодные тиристоры

Триодный тиристор (тринистор) – это тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод.

         Для переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое также необходимо  накопление неравновесных носителей заряда в базовых областях. В диодном тиристоре при увеличении напряжения на нем до напряжения включения это накопление неравновесных носителей заряда происходит обычно либо из-за увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы, либо из-за ударной ионизации в коллекторном переходе. В триодном тиристоре, имеющем управляющий вывод одной из базовых областей с омическим переходом между управляющим электродом и базой (рисунок 4.5, а), уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить путем подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое на необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении (рисунок 4,6, в).

Рискнок 4.5 - Схематическое изображение структур триодных тиристоров с омическим переходом между управляющим электродом и базой (а), с дополнительным p-n-переходом под управляющим электродом (б) и ВАХ триодного тиристора при различных токах  через управляющий электрод (в)

         Переключение триодного тиристора с помощью подачи прямого напряжения на управляющий электрод или тока через этот электрод можно представить с другой точки зрения как перевод транзисторной n-p-n-структуры в режим  насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении.

         Баланс токов в триодном тиристоре можно записать по аналогии с (4.1), но с учетом = того, что через левый эмиттерный переход (рисунок 4.5, а) проходит сумма токов основного и управляющего:

                                  (4.6)

Или

                                (4.7)

         Таким образом, уравнение ВАХ триодного тиристора  в закрытом состоянии:

                                (4.8)

где  а анодный ток  зависит от управляющего тока  (рисунок 4.5, в).

         Условие переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое можно получить аналогично условию переключения диодного тиристора (см. 4.1). т.е. после дифференцирования и преобразования получим

                                             (4.9)

         В условии переключения триодного тиристора (4.9) дифференциальной коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели первой транзисторной структуры  зависит от напряжения на коллекторном переходе, а также от основного и управляющего токов. Аналогичный коэффициент второй транзисторной структуры  зависит только от напряжения на коллекторе и от основного тока.

         Из формулы (4.9) видно, напряжение включения триодного тиристора зависит от управляющего тока. Формула может быть справедлива при меньших напряжениях на аноде тиристора, если через управляющий электрод будут проходить большие значения управляющего тока в прямом направлении. Кроме того, из условия (4.9) можно сделать вывод о целесообразности осуществления управляющего вывода от тонкой базы триодного тиристора, так как управлять коэффициентом передачи тока эмиттера транзисторной структуры с тонкой базой значительно легче, чем с толстой базой.

         В открытом состоянии через тиристор проходит большой анодный ток, поэтому управляющий ток практически не оказывает влияния на участок ВАХ, соответствующий открытому состоянию триодного тиристора.

         Управляющий электрод может быть сделан не только с омическим  переходом между электродом и базовой областью, но и с дополнительным p-n-переходом (рисунок 4.5, б). При  определенной полярности напряжения на управляющем электроде относительно катодом дополнительный переход окажется смещенным в прямом направлении, через него будет проходить инжекция неосновных носителей заряда  (для прилегающей базы) с последующим накоплением в другой базовой области. Такой процесс может привести к переключению триодного тиристора в открытое состояние.

         Тиристор, у которого управляющий электрод соединен с n-областью, ближайшей к катоду, и который переводится в открытое состояние при подаче на управляющий электрод отрицательного по отношению к катоду сигнала, называют тиристором с инжектирующим управляющим электродом n-типа.

         Триодный тиристор, структура которого представлена на рисунке 4.5, б, можно рассматривать также как два диодных  тиристора, имеющих общие анод, одну эмиттерную и обе базовые области. Структура основного тиристора выполнена с зашунтированным эмиттерным переходом. Поэтому напряжение  включения основного тиристора больше, чем управляющего. При подаче  отрицательного потенциала на управляющий электрод, т.е. на катод управляющего тиристора, можно переключить его из закрытого состояния в открытое. А так как обе структуры имеют общие области, то при переключении управляющего тиристора основной тиристор также окажется в открытом состоянии.

4.2.2. Тиристоры, проводящие в обратном направлении

Тиристор, проводящий в обратном направлении – это тиристор, который при отрицательном анодном напряжении оказывается открытым в обратном направлении.

         В предыдущих параграфах этой главы были рассмотрены диодные и триодные тиристоры, не проводящие в обратном направлении. Обратные токи таких тиристоров были малы вплоть до пробивного напряжения.

         Тиристоры, проводящие в обратном направлении, могут быть диодными и триодными. Общей особенностью их структуры является шунтирование всех эмиттерных переходов объемными сопротивлениями прилегающих базовых областей (рисунок 4.6, а,б).  Для уменьшения шунтирующего сопротивления высокоомной базы (n-базы на рисунке 4.6) ее поверхностный слой, прилегающий к эмиттерному переходу дополнительно легируют соответствующей примесью.

         В результате такого шунтирования при обратном напряжении на тиристоре (отрицательный потенциал на аноде) все эмиттерные переходы  оказываются закороченными относительно малыми сопротивлениями, а коллекторный переход – смещенным в прямом направлении. Поэтому обратные токи через тиристоры, проводящие в обратном направлении, велики при малых обратных напряжениях (рисунок 4.6, в).

Следствием активного шунтирования всех эмиттерных переходов является также то, что оба коэффициента передачи тока эмиттера транзисторных структур, составляющих тиристор, оказываются малыми. Поэтому, при прямом напряжении на тиристоре, основным физическим процессом, приводящим к накоплению неравновесных носителей заряда в базовых областях,  и к переключению тиристора из закрытого состояния в открытое, будет ударная ионизация в коллекторном переходе.  При   расчете и анализе характеристик и параметров

Рисунок 4.6 - Структуры диодного (а) и триодного (б) тиристоров, проводящих в обратном направлении, с распределенным шунтированием эмиттерных переходов и ВАХ тиристоров, проводящего в обратном направлении (в)

таких тиристоров (да и  многих других тиристоров, не проводящих в обратном направлении) надо учитывать в основном изменение коэффициента лавинного размножения М с напряжением на коллекторном переходе. Например, условие переключения диодного тиристора из закрытого состояния в открытое (4.5) можно раскрыть следующим образом:

                                          (4.10)

Или   , так как

где  – суммарный коэффициент передачи тока тиристорной структуры при малых  напряжениях, т.е. без учета лавинного размножения в коллекторном переходе.

         Отсюда напряжение включения диодного тиристора

                                        (4.11)

         Преобладание лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе над другими физическими процессами, которые могут приводить к переключению тиристора из закрытого состояния в открытое, обуславливает ряд особенностей в свойствах, отмеченных в последних параграфах этой главы.

4.2.3. Симметричные тиристоры

Симметричный диодный тиристор (диак) – это диодный тиристор, способный переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях.

Симметричный  триодный тиристор (триак) – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.

         Структура симметричного диодного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре p-n-перехода (рисунок 4.7, а). Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих областей с электропроводностью р-типа.

         Если на такой тиристор подать напряжение положительным потенциалом на область n₁ и отрицательным потенциалом на область n₃, то p-n-переход 1 окажется смещенным в обратном  направлении и ток, проходящий через него, будет пренебрежимо мал. Весь ток через тиристор при такой полярности приложенного напряжения будет проходить по шунтирующему сопротивлению области р₁. Четвертый p-n-переход будет смещен в прямом направлении, и

Рисунок 4.7 - Структура симметричного тиристора (а) и его ВАХ (б)

через него будет происходить инжекция электронов. При выбранной полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру p-n-p-n, в которой могут происходить те же процессы, что и в обычном диодном тиристоре, приводящие к переключению его из закрытого состояния в открытое и обратно.

         При перемене полярности внешнего напряжения четвертый p-n-переход окажется смещенным в обратном направлении и, обладая поэтому большим сопротивлением, будет зашунтирован относительно малым сопротивлением области р_2. Следовательно, при такой полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру n-p-n-p, способную переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно.

         Таким образом, симметричный диодный тиристор можно представить в виде двух диодных тиристоров, включенных встречно и шунтирующих друг друга при разных полярностях приложенного напряжения. Вольтамперная характеристика такого тиристора получается одинаковой при разных полярностях приложенного напряжения (рисунок 4.7, б).

         Симметричные триодные тиристоры могут иметь структуру, способную переключаться из закрытого в открытое состояние либо при токе управляющего электрода определенного направления, либо при токе управляющего электрода любого направления (рисунок 4.8). В последнем случае не только основные электроды должны  обеспечить шунтирование прилегающих  ним крайних p-n-переходов, но управляющий электрод должен иметь омический переход с р-областью, так и с дополнительной n-областью. При этих условиях подача различных по знаку потенциалов на управляющий электрод по отношению к расположенному вблизи основному электроду будет либо изменять потенциал р-области, либо обеспечивать инжекцию электронов из дополнительной n-области.

Рисунок 4.8 - Структура симметричного тиристора, переключаемого из закрытого

состояния в открытое током управляющего электрода любого направления

4.3. Способы управления тиристорами

4.3.1. Включение тиристоров

Включение тиристора путем медленного увеличения напряжения между основными электродами до напряжения включения U_вкл..

         Включение тиристора – это его переключение из закрытого состояния в открытое. Медленное увеличение напряжения между основными электродами тиристора до напряжения включения предполагалось при рассмотрении физических причин и условий включения различных диодных тиристоров в предыдущих параграфах. Таким способом можно, конечно, включить и триодный тиристор.

         Включение тиристора с помощью тока управления. Как было показано увеличение тока через один из эмиттерных переходов из-за подачи соответствующего напряжения на управляющий электрод приводит к накоплению неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора и к включению его при напряжении между основными электродами, значительно меньшим, чем напряжение включения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Процесс накопления неравновесных носителей заряда в базовых областях происходит не мгновенно, поэтому для включения тиристора необходимо, чтобы импульс управляющего тока имел определенную длительность  и амплитуду.

         Время включения по управляющему электроду тиристора _вкл – это интервал времени между моментом в начале отпирающего импульса управляющего электрода, соответствующим 0,1 его амплитуды, и моментом, когда основное напряжение падает до 0,1 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора или когда основной ток увеличится до 0,9 значений тока в открытом состоянии (рисунок 4.9).

         Время включения по управляющему электроду тиристора можно представить в виде суммы времени задержки по управляющему электроду и времени нарастания для тиристора.

         Время задержки по управляющему электроду тиристора _зд – это интервал времени между моментом в начале отпирающего импульса управляющего электрода, соответствующим 0,1 его амплитуды, и моментом, когда основное напряжение падает до 0,9 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора или когда основной ток увеличивается до 0.1 его значения в открытом состоянии.  Время нарастания для тиристора  – это  интервал времени, в течение  которого основной ток увеличивается от 0,1 до 0,9 значения тока в открытом состоянии или основное напряжение падает от 0,9 до 0,1 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора (рисунок 4.9).

Несмотря на условность определения всех перечисленных параметров переходного процесса включения тиристора, можно считать, что время задержки по управляющему электроду тиристора определяется временем перезаряда барьерной емкости эмиттерного перехода, а также временем прохождения инжектированных носителей заряда через базовую область и коллекторный переход. Время нарастания для тиристора определяется инерционностью процесса накопления неравновесных носителей заряда в базовых областях и инерционностью перезаряда  барьерной емкости коллекторного перехода.

Интервал времени, определяемый временем нарастания для тиристора, изменением основного тока, проходящего через тиристор, и напряжения между основными электродами, соответствует переходному участку ВАХ. Для него сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторных структур, составляющих тиристор, должна быть равна единице.етствует переходному ием основного тока, проходящего через тиристор, и напряжния между основными электродами.

Обычно тиристор включен в цепь, имеющую сопротивление, меньшее абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления тиристора на переходном участке его ВАХ. Поэтому в период времени нарастания при тех же напряжениях токи, проходящие через тиристор в реальной схеме, превышают значения токов переходного участка ВАХ тиристора. При этом суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока тиристорной структуры превышает единицу, что соответствует  активному этапу включения тиристора. Если в это время отключить управляющий электрод, то тиристор «самостоятельно» перейдет в открытое состояние. Значит, длительность импульса тока управляющего электрода, необходимая для включения тиристора, должна быть больше времени задержки.

Рисунок 4.9 - Временные зависимости тока управляющего электрода (а), основного

напряжения на тиристоре (б) и основного тока через тиристор (в),

характеризующие процесс его включения

         Завершением процесса включения тиристора считают момент изменения полярности напряжения на коллекторном переходе.

         Необходимо отметить, что во время переходных процессов через тиристор проходят большие токи при больших напряжениях на нем, что приводит к большим значениям выделяющейся в тиристоре так называемой мощности коммутационных потерь. Средняя мощность коммутационных потерь может привести к недопустимому перегреву тиристора при большой частоте переключения.

При быстром нарастании основного напряжения на тиристоре через него будет проходить емкостный ток, обусловленный наличием барьерных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.

         Рассмотрим сначала влияние барьерной емкости коллекторного перехода. Емкостный ток через коллекторный переход  Чем больше скорость изменения основного напряжения на тиристоре, тем больше значение емкостного тока через коллекторный переход. Этот ток, проходя через эмиттерные переходы, вызывает увеличение коэффициентов передачи токов эмиттера транисторных структур, что приводит к включению тиристора при основном напряжении, меньшем напряжения включения на постоянном токе U_вкл0 (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 - Зависимости напряжения  включения тиристора от скорости увеличения подаваемого на него напряжения с учетом только барьерной емкости коллекторного перехода (кривая 1) и только барьерных емкостей эмиттерных переходов (кривая 2)

         Барьерные емкости эмиттерных переходов являются причиной появления емкостных токов через эти переходы при быстром изменении основного напряжения на тиристоре. Емкостные токи  не связаны с инжекцией носителей заряда, поэтому с увеличением скорости изменения основного напряжения включение тиристора должно происходить при напряжениях, больших U_вкл0 (рисунок 4.10), если учитывать только барьерные емкости эмиттерных переходов.

         Практически барьерная емкость коллекторного  перехода сказывается сильнее, так как она шунтирует большое активное сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении при закрытом состоянии тиристора. Барьерные емкости эмиттерных переходов сами оказываются зашунтированными малыми активными сопротивлениями эмиттерных переходов, смещенных при закрытом состоянии тиристора в прямом направлении. Поэтому напряжение включения тиристора с увеличением скорости нарастания основного напряжения уменьшается.

         Однако эффект включения тиристоров при большой скорости нарастания основного напряжения часто оказывается не положительным, а отрицательным свойством, так как может приводить к самопроизвольному включению тиристора, например при подключении источника питания. Эффективным способом ослабления этого эффекта является шунтирование эмиттерного перехода.

4.3.2. Выключение тиристоров

Выключение тиристоров путем уменьшения тока в цепи основных электродов до значения, меньшего удерживающего тока, или путем разрыва цепи основных электродов. Тиристор будет выключен, т.е. переведен из открытого состояния в закрытое, только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базовых областях. Если до окончания процесса выключения вновь подать напряжение между основными электродами тиристора, то он окажется  во включенном состоянии. Таким образом, для выключения тиристора необходимо некоторое время.

При выключении тиристора путем разрыва цепи основных электродов рассасывание неравновесных носителей заряда происходит только в результате рекомбинации. Такой способ выключения применяется, когда время выключения тиристора не влияет на работу той или иной схемы.

         Для ускорения процесса рассасывания неравновесных носителей заряда, накопленных в базовых областях при прохождении прямого тока через открытый тиристор, необходимо  понизить потенциальный барьер  коллекторного перехода. Однако коллекторный переход при открытом состоянии тиристора уже  был смещен в прямом направлении из-за накопленных неравновесных носителей заряда в базовых областях и, следовательно, имел малое сопротивление. Поэтому на долю коллекторного перехода при переключении тиристора на обратное напряжение приходится очень малая часть всего внешнего напряжения. Из-за малого сопротивления тиристора, находящегося еще в открытом состоянии, обратный ток на первом этапе процесса выключения ограничен сопротивлением внешней цепи.

         Существенное уменьшение времени выключения даже при  небольших обратных напряжениях удается получить для тиристоров, проводящих в обратном направлении. У этих тиристоров оба эмиттерные перехода зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих базовых областей. Поэтому даже небольшое обратное напряжение способствует быстрому рассасыванию накопленных в базовых областях неравновесных носителей заряда.

         Для выключения тиристора необходимо отвести неравновесные основные носители заряда из базы, у которой имеется управляющий электрод. В то же время основной ток, проходящий через открытый еще тиристор, непрерывно восполняет количество неравновесных носителей заряда в базовых областях. Таким образом, значение тока управления, необходимого для выключения тиристора, зависит от основного тока через тиристор (рисунок 4.11, а).

Рисунок 4.11 - Зависимость тока управления, необходимого для выключения (для запирания) тиристора, от основного тока

         Некоторые тиристоры с большой площадью p-n-переходов невозможно выключить с помощью тока управляющего электрода при больших токах между основными электродами. Объясняется это тем, что при движении носителей заряда к управляющему электроду (дырок в тиристоре) база тиристора под эмиттерным переходом становится неэквипотенциальной и дальние от управляющего электрода части эмиттерного перехода остаются смещенными в прямом направлении. Инжекция электронов из этих частей эмиттерного перехода поддерживает соответствующую часть тиристорной структуры в открытом состоянии. Стремление же еще большое увеличить ток управляющего электрода путем увеличения напряжения на этом электроде может привести к лавинному пробою эмиттерного перехода так как этот переход имеет обычно малое пробивное напряжение из-за большой концентрации примесей с обеих сторон перехода.

         Таким образом, существуют тиристоры, запираемые и незапираемые по управляющему электроду. Запираемый тиристор – это тиристор, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот при подаче на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Но и для запираемого тиристора существует максимально допустимый постоянный запираемый ток I_{з max} – наибольшее значение основного тока, до которого допускается запирание тиристора по управляющему электроду. При использовании в мощных устройствах запираемые тиристоры обладают преимуществами перед транзисторами, поскольку тиристоры способны выдерживать значительно большие напряжения в закрытом состоянии.

4.4. Параметры и характеристики

         Сущность основных параметров тиристоров рассмотрена в предыдущих параграфах, поэтому приведем численные значения и температурные зависимости этих параметров.

         Напряжение включения U_вкл. – это прямое анодное напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого в открытое состояние при разомкнутом управляющем выводе. Для разных типов тиристоров напряжение включения, является изменение времени жизни носителей заряда при изменении температуры. С повышением температуры в рабочем диапазоне температур время жизни носителей возрастает, что приводит, как и в обычных транзисторах, к росту коэффициентов передачи токов. Поэтому напряжение включения с повышением окружающей среды уменьшается.

         У некоторых тиристоров первоначальным процессом, приводящим к увеличению суммарного коэффициента передачи тиристорной структуры и к переключению тиристора в открытое состояние, является лавинное умножение носителей заряда в сильном электрическом поле коллекторного перехода. Напряжение включения таких тиристоров увеличивается при увеличении температуры, так как при этом уменьшается длина свободного пробега носителей заряда.

         Ток включения I_вкл. – это такое значение прямого анодного тока через тиристор, выше которого тиристор переключается в открытое состояние при разомкнутой цепи управляющего вывода.

         Ток включения уменьшается с повышением температуры в связи с увеличением времени жизни носителей заряда и с увеличением коэффициентов передачи тока.

         Отпирающий  ток управления I_у.вкл. – наименьший ток в цепи управляющего вывода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при данном напряжении на тиристоре. Отпирающий ток управления протекает в цепи управляющего вывода при некотором напряжении управления U_у.вкл, которое необходимо приложить между управляющим выводом и выводом от эмиттерной области , прилагающей к соответствующей базе.

         С повышением температуры тиристора из-за увеличения времени жизни носителей и из-за соответствующего роста коэффициента передачи токов отпирающий ток управления, а значит, и напряжение управления уменьшаются.

         Время задержки t_з – время, в течение которого анодный ток через тиристор возрастает до величины 0,1 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса, или время, в течение которого анодное напряжение на тиристоре уменьшается дл 0,9 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Оба определения равноценны  при чисто активной нагрузке во внешней цепи тиристора.

         Время задержки и время включения зависят от управляющего тока, уменьшаясь с увеличением амплитуды управляющего импульса тока. Связано это с возникновением больших градиентов концентрации носителей в тиристорной структуре и, следовательно, с возникновением больших диффузионных токов, которые обеспечивают более быстрое накопление неравновесных носителей в базовых областях тиристора, т.е. обеспечивают включение тиристора.

         Время включения t_вкл – время, в течение которого ток через тиристор возрастает до 0,9 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Если внешняя цепь представляет собой чисто активную нагрузку для тиристора, то во время включения тиристора с увеличением тока соответственно уменьшается напряжение на тиристоре. Поэтому время включения в этом случае принято определять как время, в течение которого напряжение на тиристоре уменьшается до 0,1 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса.

         Максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)_max – скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой еще не происходит переключение тиристора в открытое состояние при отключенном управляющем выводе. Кроме максимально допустимой скорости  нарастания прямого напряжения используется иногда другой параметр тиристора – критическая скорость нарастания прямого анодного напряжения, т.е. такая минимальная скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой происходит переключение тиристора в открытое состояние. Критическое напряжение, при котором происходит самовключение тиристора, при больших величинах du/dt  называют  напряжением самовключения. Оно меньше напряжения включения. Поэтому во всех случаях, чтобы исключить ложное переключение тиристора, амплитуда подаваемого напряжения и скорость его нарастания должны быть меньше допустимых  значений напряжения самовключния и (du/dt)_max.

         Максимально допустимая скорость нарастания прямого тока  (di/dt)_max  - скорость  нарастания  прямого анодного тока через  тиристор, не вызывающая необратимых процессов в тиристорной структуре и связанного с ними ухудшения электрических параметров тиристора. При любом способе включения тиристора процесс переключения начинает развиваться в ограниченном объеме, а затем распространяется по всей структуре. Таким образом, происходит неравномерное распределение тока по площади p-n-переходов тиристора. В тиристорах с большой площадью p-n-переходов, т.е. в мощных тиристорах, высокую проводимость весь объем тиристорной структуры может приобрести иногда только через несколько десятков микросекунд с момента подачи управляющего  импульса.

         При высоких скоростях нарастания прямого тока вблизи управляющего электрода (при включении тиристора с помощью тока управления) плотность прямого тока достигает больших значений и может произойти локальный разогрев структуры до температуры плавления кремния с последующим разрушением кремниевой пластинки или с последующим выходом тиристора из строя.

         Бороться с этим явлением можно двумя способами: 1) управляющий электрод делают распределенным по всей площади тиристорной структуры; 2) ограничивают скорость нарастания прямого тока путем соответствующих схемных решений, например, включая последовательно с тиристором небольшую индуктивность.

         Максимально допустимый ток в открытом состоянии I_пр.max – максимальное  значение тока в открытом состоянии, при котором  обеспечивается заданная надежность тиристора. Для тиристоров разных типов максимально допустимый ток в открытом состоянии  от 40 мА до 1000 А. Максимально допустимый ток определяется из условия, что температура любой части тиристорной структуры при работе тиристора не должна превышать допустимого значения  (обычно 140^оС). Нагрев тиристора во время работы происходит из-за электрических потерь при прохождении прямого тока, токов утечки в закрытом тиристоре, тока в цепи управляющего вывода и от коммутационных потерь.

         Остаточное напряжение U_пр – значение напряжения на тиристоре, находящемся в открытом состоянии, при прохождении через него максимально допустимого тока. Остаточное напряжение обычно не превышает 2 В.

         Ток выключения I_выкл. – значение прямого тока через тиристор при разомкнутой цепи управления, ниже которого тиристор выключается. В зависимости от  типа тиристора ток выключения. В зависимости от типа тиристора ток выключения может быть от нескольких миллиампер до нескольких десятых долей ампера.

         С повышением температуры величина тока выключения уменьшается в связи с ростом времени жизни носителей и увеличением коэффициентов передачи токов при тех же величинах проходящего  через тиристор тока.

         Время выключения t_выкл. – время от момента перемены тока, проходящего через тиристор, с прямого на обратный  до момента, когда тиристор полностью восстановит запирающую способность в прямом направлении. Процесс выключения тиристора связан с исчезновением избыточных зарядов неравновесных носителей в базовых областях вследствие рекомбинации и ухода неравновесных носителей через p-n-переходы. Для ускорения процесса выключения в большинстве случаев к тиристору прикладывают обратное анодное напряжение. На рисунке 4.12 изображена кривая тока через тиристор для случая, когда в момент времени t₀ к тиристору, находящемуся в открытом состоянии, приложено обратное напряжение.

         В первый момент после переключения анодного напряжения на обратное ток через тиристор определяется сопротивлением нагрузки и равен  I^´_обр.≈U_обр./R_и (при  чисто активном сопротивлении нагрузки). Сопротивление тиристора в это время  мало, так как велики концентрации неосновных носителей заряда около p-n-переходов. К моменту t₁ сильнолегированная p-база теряет избыточный заряд неравновесных носителей, и напряжение u_э1 на p-n-переходе I падает до нуля, а затем изменяет знак. К моменту времени t₂  ток через тиристор уменьшается до величины I˝_обр=. С двух сторон эмиттерного p-n-перехода I находятся низкоомные (из-за большой концентрации примесей) области кристалла кремния. Поэтому пробивное напряжение этого p-n-перехода мало. Следовательно, обратное напряжение на этом p-n-переходе достигает пробивного и  затем стабилизируется (в момент времени t₂).

         При дальнейшем  рассасывании напряжение на эмиттерном p-n-переходе 3 достигает нуля. Ток через тиристор с этого момента опять быстро уменьшается  до величины, соответствующей установившемуся обратному току I_обр.

         Значит, в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ в базовых областях около p-n-перехода 2 сохраняется еще значительная избыточная концентрация носителей заряда, что обеспечит переключение тиристора в открытое состояние при подаче в этот момент на тиристор даже небольшого прямого напряжения, т.е. тиристор еще не восстановил запирающей способности для прямого напряжения. Таким образом, время выключения превышает время восстановления запирающей способности тиристора для обратного напряжения, Время выключения тиристоров может доходить до нескольких десятков микросекунд. Оно зависит от геометрии тиристора и от времени жизни неосновных носителей заряда в базовых областях (в основном от времени жизни неосновных  носителей в толстой высокоомной области базы).

         Время выключения тиристоров увеличивается с повышением температуры, что также связано с ростом времени жизни носителей заряда, с замедлением процесса рекомбинации неравновесных носителей в базовых областях тиристора.

4. ТИРИСТОРЫ

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

4.1. Физика работы тиристоров

4.1.1. Диодные тиристоры

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

4.1.2. Структура и принцип действия

         Структура диодного тиристора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рисунок 4.1,а). Кроме трех выпрямляющих переходов диодный тиристор имеет два омических перехода. Один из омических переходов расположен между крайней n-областью и металлическим электродом, который называют катодом. Другой омический переход расположен между крайней р-областью  и металлическим электродом, который называют анодом.

Рисунок 4.1 - Энергетические зонные диограммы теристора

Вначале рассмотрим процессы, происходящие в тиристоре  при подаче на него прямого напряжения, т.е. при положительном потенциале на аноде. В этом случае крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний р-n-переход смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (- и -эмиттеры) и две базовые области (- и -базы).

         Большая часть внешнего прямого напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении. Поэтому первый участок прямой ветви ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из -эмиттера в -базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в -базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода  (рисунок 4.1, б). Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллеткорному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в р-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обуславливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

         Накопление неравновесных носителей в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов  на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении. Поэтому с увеличением тока через тиристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении.

         Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом.

         Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения. Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой  дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии (участок 1 ВАХ на рисунке 4.2) к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал.

         Открытое состояние  тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви ВАХ. На рисунке 4.2 открытому состоянию тиристора соответствует участок 2 ВАХ. Между первым и вторым участками ВАХ находится переходной участок, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора. Особенно проявляется неустойчивость при относительно малом сопротивлении во внешней цепи тиристора.

Рисунок 4.2 - ВАХ теристора

         В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшить до некоторого значения, меньшего удерживающего тока I_уд., то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на выпрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние (см. рисунок 4.2). Таким образом, удерживающий ток тиристора – это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

4.1.3. Закрытое состояние

         Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов VT₁ и VT₂, соединенных между собой, как показано на рисунке 4.3. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи, пользуясь параметрами одномерной теоретической модели транзистора:

Рисунок 4.3 - Представление теристора в виде двух транзисторов

                                            (4.1)

где , и  – токи через первый, второй и третий p-n-переходы;  и  – статические коэффициенты передачи токов эмиттера одномерных теоретических моделей первого и второго транзисторов;  – обратный ток коллектора, который является  общим для обоих транзисторов, составляющих структуру тиристора. В закрытом состоянии тиристора из всего потока инжектированных в каждую базу неосновных носителей заряда только меньшая часть доходит до коллекторного перехода. Основной  механизм образования обратного тока коллектора – генерация носителей заряда в коллекторном переходе.

         Для двухэлектродной структуры диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:

                                                 (4.2)

         Тогда анодный ток тиристора

                                                 (4.3)

где  – суммарный статический коэффициент передачи тока тиристорной структуры.

         Выражение (4.3) представляет собой уравнение ВАХ диодного тиристора в зарытом состоянии. Напомним, что статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора растет с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в эмиттерном переходе и появления электрического поля в базе из-за  увеличения градиента концентрации носителей заряда. Коэффициент передачи тока эмиттера растет также с увеличением напряжения на коллекторном переходе в результате уменьшения толщины  базы и увеличения коэффициента лавинного размножения в коллекторном переходе. Эти четыре физических фактора вызывают рост суммарного статического коэффициента передачи тока тиристорной структуры при увеличении напряжения и соответственно тока в закрытом состоянии тиристора.

         При достижении суммарным статическим коэффициентом передачи значения, равного единице, в соответствии с (4.3) анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит переключение диодного тиристора из закрытого состояния в открытое. Во время переключения ток через тиристор, конечно, должен быть ограничен сопротивлением нагрузки, иначе тиристор может выйти из строя.

4.1.4. Условие переключения тиристора

         В точке переключения тиристора дифференциальное сопротивление равно нулю. Выясним условие, при котором дифференциальное сопротивление тиристора может стать равным нулю. До переключения тиристора в открытое состояние практически все напряжение, приложенное к тиристору, падает на коллекторном переходе. Дифференцируя (5.1) по напряжению с учетом (5.2) и считая

получим

              (4.4)

         В скобках числителя (4.4) стоят выражения для дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера одномерных теоретических моделей транзисторов. Действительно, . Отсюда дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели транзистора  Таким образом, из (4.4) следует, что переключение тиристора из закрытого состояния  в открытое должно произойти при условии равенства единице суммарного дифференциального коэффициента передачи тока тиристорной структуры, т.е.

                                                 (4.5)

         Обычно это условие удовлетворяется раньше, чем условие равенства единице статических коэффициентов передачи тока первого и второго транзисторов, составляющих тиристорную структуру, так как дифференциальные коэффициенты передачи больше статических.

         Ничтожное превышение дифференциального коэффициента передачи тока над единицей означает, что приращение тока коллектора больше, чем приращение тока эмиттера. Именно при таком условии р-база заряжается положительно, а n-база – отрицательно (об этом шла речь вначале параграфа). Избыточные заряды в базовых областях уменьшают напряжение на коллекторном переходе, а следовательно, и на всей тиристорной структуре, что соответствует переходному участку ВАХ тиристора – участку отрицательного дифференциального сопротивления.

         При переключении диодного тиристора из закрытого состояния в открытое из-за роста проходящего тока суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока увеличивается. Одновременно уменьшение напряжения на коллекторном переходе вызывает уменьшение того же коэффициента. Поэтому соотношение (4.5) можно считать не только условием переключения тиристора из закрытого состояния в открытое, но и уравнением ВАХ на переходном ее участке. В действительности сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных структур, составляющих тиристорную структуру, во время переключения несколько превышает единицу.

4.1.5. Открытое состояние

         В открытом состоянии значение суммарного коэффициента передачи тока тиристорной структуры превышает единицу, т.е. большая часть носителей заряда, инжектированных из эмиттерных областей, доходит до коллекторного перехода. Для открытого состояния при установившемся токе через диодный тиристор также должен сохраниться баланс токов. Поэтому необходимо предположить инжекцию дырок через коллекторный переход из р-базы в n-базу и инжекцию электронов в другом направлении, позволяет понять существование равенства полных потоков носителей заряда разных знаков во всех сечениях тиристорной структуры при установившемся режиме в открытом состоянии.

         Коллекторный переход смещен в прямом направлении из-за избыточных зарядов основных носителей в базовых областях, накопленных там в процессе переключения тиристора.

         Падение напряжения на диодном тиристоре в открытом состоянии представляет собой сумму напряжений на всех p-n-переходах (с учетом инверсии полярности напряжения на коллекторном переходе), на объемном сопротивлении различных областей (в основном слаболегированной базы) и на омических переходах.

         При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, а коллекторный переход – в прямом. В этом случае нет условий для переключения тиристора, а обратное напряжение может быть ограничено либо лавинным пробоем эмиттерных переходов, либо эффектом смыкания переходов в результате расширения одного из эмиттерных переходов, смещенных в обратном направлении, на всю толщину слаболегированной базы.

4.1.6. Диодный тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом

         Переключение  тиристора из закрытого состояния в открытое в соответствии с (4.5) происходит при возрастании суммарного дифференциального коэффициента передачи тока до единицы. В то же время в каждой из транзисторных структур, составляющих  тиристор, коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице уже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начального значения коэффициента передачи одну из базовых областей всех тиристоров делают относительно толстой (до 200 мкм).

         Для уменьшения коэффициента передачи тока эмиттера другого транзистора его эмиттерный переход шунтируют объемным сопротивлением прилегающей  базовой области (рисунок 4.4). Такое  шунтирование осуществляют путем нанесения  одного из основных электродов (например, катода) не только на эмиттерную область, но и частично на поверхность прилегающей базовой области. Шунтирование обеспечивает малые значения коэффициента передачи тока при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этом проходит по шунтирующему сопротивлению базы, минуя левый (рисунок 4.4) эмиттерный переход в связи с его относительно большим сопротивлением при малых напряжениях. При больших напряжениях на тиристоре сопротивление левого эмиттерного перехода становится меньше шунтирующего сопротивления базы. Это значит, что теперь почти весь ток будет проходить через эмиттерный переход и будет вызван инжекцией неосновных носителей заряда в прилегающую базовую область.

Рисунок 4.4 - Структура диодного тиристора с зашунтированным эмиттерным переходом

         Шунтирование, во-первых, дает возможность создавать тиристоры с большими значениями напряжения включения. Во-вторых, при шунтировании эмиттерного перехода получается более резкая зависимость коэффициента передачи тока от напряжения и от тока. Поэтому тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом будет иметь так называемую жесткую характеристику переключения, т.е. будет переходить из закрытого в открытое состояние каждый раз при одном и то же напряжении включения. Наоборот, при слабой зависимости коэффициента передачи тока от напряжения и от тока переключение тиристора из закрытого состояния в открытое может происходить при различных значениях напряжения включения, т.е. тиристор в этом случае будет иметь так называемую мягкую характеристику переключения.

4.2.  Разновидности тиристоров

4.2.1. Триодные тиристоры

Триодный тиристор (тринистор) – это тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод.

         Для переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое также необходимо  накопление неравновесных носителей заряда в базовых областях. В диодном тиристоре при увеличении напряжения на нем до напряжения включения это накопление неравновесных носителей заряда происходит обычно либо из-за увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы, либо из-за ударной ионизации в коллекторном переходе. В триодном тиристоре, имеющем управляющий вывод одной из базовых областей с омическим переходом между управляющим электродом и базой (рисунок 4.5, а), уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить путем подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое на необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении (рисунок 4,6, в).

Рискнок 4.5 - Схематическое изображение структур триодных тиристоров с омическим переходом между управляющим электродом и базой (а), с дополнительным p-n-переходом под управляющим электродом (б) и ВАХ триодного тиристора при различных токах  через управляющий электрод (в)

         Переключение триодного тиристора с помощью подачи прямого напряжения на управляющий электрод или тока через этот электрод можно представить с другой точки зрения как перевод транзисторной n-p-n-структуры в режим  насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении.

         Баланс токов в триодном тиристоре можно записать по аналогии с (4.1), но с учетом = того, что через левый эмиттерный переход (рисунок 4.5, а) проходит сумма токов основного и управляющего:

                                  (4.6)

Или

                                (4.7)

         Таким образом, уравнение ВАХ триодного тиристора  в закрытом состоянии:

                                (4.8)

где  а анодный ток  зависит от управляющего тока  (рисунок 4.5, в).

         Условие переключения триодного тиристора из закрытого состояния в открытое можно получить аналогично условию переключения диодного тиристора (см. 4.1). т.е. после дифференцирования и преобразования получим

                                             (4.9)

         В условии переключения триодного тиристора (4.9) дифференциальной коэффициент передачи тока эмиттера одномерной теоретической модели первой транзисторной структуры  зависит от напряжения на коллекторном переходе, а также от основного и управляющего токов. Аналогичный коэффициент второй транзисторной структуры  зависит только от напряжения на коллекторе и от основного тока.

         Из формулы (4.9) видно, напряжение включения триодного тиристора зависит от управляющего тока. Формула может быть справедлива при меньших напряжениях на аноде тиристора, если через управляющий электрод будут проходить большие значения управляющего тока в прямом направлении. Кроме того, из условия (4.9) можно сделать вывод о целесообразности осуществления управляющего вывода от тонкой базы триодного тиристора, так как управлять коэффициентом передачи тока эмиттера транзисторной структуры с тонкой базой значительно легче, чем с толстой базой.

         В открытом состоянии через тиристор проходит большой анодный ток, поэтому управляющий ток практически не оказывает влияния на участок ВАХ, соответствующий открытому состоянию триодного тиристора.

         Управляющий электрод может быть сделан не только с омическим  переходом между электродом и базовой областью, но и с дополнительным p-n-переходом (рисунок 4.5, б). При  определенной полярности напряжения на управляющем электроде относительно катодом дополнительный переход окажется смещенным в прямом направлении, через него будет проходить инжекция неосновных носителей заряда  (для прилегающей базы) с последующим накоплением в другой базовой области. Такой процесс может привести к переключению триодного тиристора в открытое состояние.

         Тиристор, у которого управляющий электрод соединен с n-областью, ближайшей к катоду, и который переводится в открытое состояние при подаче на управляющий электрод отрицательного по отношению к катоду сигнала, называют тиристором с инжектирующим управляющим электродом n-типа.

         Триодный тиристор, структура которого представлена на рисунке 4.5, б, можно рассматривать также как два диодных  тиристора, имеющих общие анод, одну эмиттерную и обе базовые области. Структура основного тиристора выполнена с зашунтированным эмиттерным переходом. Поэтому напряжение  включения основного тиристора больше, чем управляющего. При подаче  отрицательного потенциала на управляющий электрод, т.е. на катод управляющего тиристора, можно переключить его из закрытого состояния в открытое. А так как обе структуры имеют общие области, то при переключении управляющего тиристора основной тиристор также окажется в открытом состоянии.

4.2.2. Тиристоры, проводящие в обратном направлении

Тиристор, проводящий в обратном направлении – это тиристор, который при отрицательном анодном напряжении оказывается открытым в обратном направлении.

         В предыдущих параграфах этой главы были рассмотрены диодные и триодные тиристоры, не проводящие в обратном направлении. Обратные токи таких тиристоров были малы вплоть до пробивного напряжения.

         Тиристоры, проводящие в обратном направлении, могут быть диодными и триодными. Общей особенностью их структуры является шунтирование всех эмиттерных переходов объемными сопротивлениями прилегающих базовых областей (рисунок 4.6, а,б).  Для уменьшения шунтирующего сопротивления высокоомной базы (n-базы на рисунке 4.6) ее поверхностный слой, прилегающий к эмиттерному переходу дополнительно легируют соответствующей примесью.

         В результате такого шунтирования при обратном напряжении на тиристоре (отрицательный потенциал на аноде) все эмиттерные переходы  оказываются закороченными относительно малыми сопротивлениями, а коллекторный переход – смещенным в прямом направлении. Поэтому обратные токи через тиристоры, проводящие в обратном направлении, велики при малых обратных напряжениях (рисунок 4.6, в).

Следствием активного шунтирования всех эмиттерных переходов является также то, что оба коэффициента передачи тока эмиттера транзисторных структур, составляющих тиристор, оказываются малыми. Поэтому, при прямом напряжении на тиристоре, основным физическим процессом, приводящим к накоплению неравновесных носителей заряда в базовых областях,  и к переключению тиристора из закрытого состояния в открытое, будет ударная ионизация в коллекторном переходе.  При   расчете и анализе характеристик и параметров

Рисунок 4.6 - Структуры диодного (а) и триодного (б) тиристоров, проводящих в обратном направлении, с распределенным шунтированием эмиттерных переходов и ВАХ тиристоров, проводящего в обратном направлении (в)

таких тиристоров (да и  многих других тиристоров, не проводящих в обратном направлении) надо учитывать в основном изменение коэффициента лавинного размножения М с напряжением на коллекторном переходе. Например, условие переключения диодного тиристора из закрытого состояния в открытое (4.5) можно раскрыть следующим образом:

                                          (4.10)

Или   , так как

где  – суммарный коэффициент передачи тока тиристорной структуры при малых  напряжениях, т.е. без учета лавинного размножения в коллекторном переходе.

         Отсюда напряжение включения диодного тиристора

                                        (4.11)

         Преобладание лавинного размножения носителей заряда в коллекторном переходе над другими физическими процессами, которые могут приводить к переключению тиристора из закрытого состояния в открытое, обуславливает ряд особенностей в свойствах, отмеченных в последних параграфах этой главы.

4.2.3. Симметричные тиристоры

Симметричный диодный тиристор (диак) – это диодный тиристор, способный переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях.

Симметричный  триодный тиристор (триак) – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях.

         Структура симметричного диодного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре p-n-перехода (рисунок 4.7, а). Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих областей с электропроводностью р-типа.

         Если на такой тиристор подать напряжение положительным потенциалом на область n₁ и отрицательным потенциалом на область n₃, то p-n-переход 1 окажется смещенным в обратном  направлении и ток, проходящий через него, будет пренебрежимо мал. Весь ток через тиристор при такой полярности приложенного напряжения будет проходить по шунтирующему сопротивлению области р₁. Четвертый p-n-переход будет смещен в прямом направлении, и

Рисунок 4.7 - Структура симметричного тиристора (а) и его ВАХ (б)

через него будет происходить инжекция электронов. При выбранной полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру p-n-p-n, в которой могут происходить те же процессы, что и в обычном диодном тиристоре, приводящие к переключению его из закрытого состояния в открытое и обратно.

         При перемене полярности внешнего напряжения четвертый p-n-переход окажется смещенным в обратном направлении и, обладая поэтому большим сопротивлением, будет зашунтирован относительно малым сопротивлением области р_2. Следовательно, при такой полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру n-p-n-p, способную переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно.

         Таким образом, симметричный диодный тиристор можно представить в виде двух диодных тиристоров, включенных встречно и шунтирующих друг друга при разных полярностях приложенного напряжения. Вольтамперная характеристика такого тиристора получается одинаковой при разных полярностях приложенного напряжения (рисунок 4.7, б).

         Симметричные триодные тиристоры могут иметь структуру, способную переключаться из закрытого в открытое состояние либо при токе управляющего электрода определенного направления, либо при токе управляющего электрода любого направления (рисунок 4.8). В последнем случае не только основные электроды должны  обеспечить шунтирование прилегающих  ним крайних p-n-переходов, но управляющий электрод должен иметь омический переход с р-областью, так и с дополнительной n-областью. При этих условиях подача различных по знаку потенциалов на управляющий электрод по отношению к расположенному вблизи основному электроду будет либо изменять потенциал р-области, либо обеспечивать инжекцию электронов из дополнительной n-области.

Рисунок 4.8 - Структура симметричного тиристора, переключаемого из закрытого

состояния в открытое током управляющего электрода любого направления

4.3. Способы управления тиристорами

4.3.1. Включение тиристоров

Включение тиристора путем медленного увеличения напряжения между основными электродами до напряжения включения U_вкл..

         Включение тиристора – это его переключение из закрытого состояния в открытое. Медленное увеличение напряжения между основными электродами тиристора до напряжения включения предполагалось при рассмотрении физических причин и условий включения различных диодных тиристоров в предыдущих параграфах. Таким способом можно, конечно, включить и триодный тиристор.

         Включение тиристора с помощью тока управления. Как было показано увеличение тока через один из эмиттерных переходов из-за подачи соответствующего напряжения на управляющий электрод приводит к накоплению неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора и к включению его при напряжении между основными электродами, значительно меньшим, чем напряжение включения при разомкнутой цепи управляющего электрода. Процесс накопления неравновесных носителей заряда в базовых областях происходит не мгновенно, поэтому для включения тиристора необходимо, чтобы импульс управляющего тока имел определенную длительность  и амплитуду.

         Время включения по управляющему электроду тиристора _вкл – это интервал времени между моментом в начале отпирающего импульса управляющего электрода, соответствующим 0,1 его амплитуды, и моментом, когда основное напряжение падает до 0,1 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора или когда основной ток увеличится до 0,9 значений тока в открытом состоянии (рисунок 4.9).

         Время включения по управляющему электроду тиристора можно представить в виде суммы времени задержки по управляющему электроду и времени нарастания для тиристора.

         Время задержки по управляющему электроду тиристора _зд – это интервал времени между моментом в начале отпирающего импульса управляющего электрода, соответствующим 0,1 его амплитуды, и моментом, когда основное напряжение падает до 0,9 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора или когда основной ток увеличивается до 0.1 его значения в открытом состоянии.  Время нарастания для тиристора  – это  интервал времени, в течение  которого основной ток увеличивается от 0,1 до 0,9 значения тока в открытом состоянии или основное напряжение падает от 0,9 до 0,1 значения разности напряжений в закрытом и открытом состояниях тиристора (рисунок 4.9).

Несмотря на условность определения всех перечисленных параметров переходного процесса включения тиристора, можно считать, что время задержки по управляющему электроду тиристора определяется временем перезаряда барьерной емкости эмиттерного перехода, а также временем прохождения инжектированных носителей заряда через базовую область и коллекторный переход. Время нарастания для тиристора определяется инерционностью процесса накопления неравновесных носителей заряда в базовых областях и инерционностью перезаряда  барьерной емкости коллекторного перехода.

Интервал времени, определяемый временем нарастания для тиристора, изменением основного тока, проходящего через тиристор, и напряжения между основными электродами, соответствует переходному участку ВАХ. Для него сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторных структур, составляющих тиристор, должна быть равна единице.етствует переходному ием основного тока, проходящего через тиристор, и напряжния между основными электродами.

Обычно тиристор включен в цепь, имеющую сопротивление, меньшее абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления тиристора на переходном участке его ВАХ. Поэтому в период времени нарастания при тех же напряжениях токи, проходящие через тиристор в реальной схеме, превышают значения токов переходного участка ВАХ тиристора. При этом суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока тиристорной структуры превышает единицу, что соответствует  активному этапу включения тиристора. Если в это время отключить управляющий электрод, то тиристор «самостоятельно» перейдет в открытое состояние. Значит, длительность импульса тока управляющего электрода, необходимая для включения тиристора, должна быть больше времени задержки.

Рисунок 4.9 - Временные зависимости тока управляющего электрода (а), основного

напряжения на тиристоре (б) и основного тока через тиристор (в),

характеризующие процесс его включения

         Завершением процесса включения тиристора считают момент изменения полярности напряжения на коллекторном переходе.

         Необходимо отметить, что во время переходных процессов через тиристор проходят большие токи при больших напряжениях на нем, что приводит к большим значениям выделяющейся в тиристоре так называемой мощности коммутационных потерь. Средняя мощность коммутационных потерь может привести к недопустимому перегреву тиристора при большой частоте переключения.

При быстром нарастании основного напряжения на тиристоре через него будет проходить емкостный ток, обусловленный наличием барьерных емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.

         Рассмотрим сначала влияние барьерной емкости коллекторного перехода. Емкостный ток через коллекторный переход  Чем больше скорость изменения основного напряжения на тиристоре, тем больше значение емкостного тока через коллекторный переход. Этот ток, проходя через эмиттерные переходы, вызывает увеличение коэффициентов передачи токов эмиттера транисторных структур, что приводит к включению тиристора при основном напряжении, меньшем напряжения включения на постоянном токе U_вкл0 (рисунок 4.10).

Рисунок 4.10 - Зависимости напряжения  включения тиристора от скорости увеличения подаваемого на него напряжения с учетом только барьерной емкости коллекторного перехода (кривая 1) и только барьерных емкостей эмиттерных переходов (кривая 2)

         Барьерные емкости эмиттерных переходов являются причиной появления емкостных токов через эти переходы при быстром изменении основного напряжения на тиристоре. Емкостные токи  не связаны с инжекцией носителей заряда, поэтому с увеличением скорости изменения основного напряжения включение тиристора должно происходить при напряжениях, больших U_вкл0 (рисунок 4.10), если учитывать только барьерные емкости эмиттерных переходов.

         Практически барьерная емкость коллекторного  перехода сказывается сильнее, так как она шунтирует большое активное сопротивление коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении при закрытом состоянии тиристора. Барьерные емкости эмиттерных переходов сами оказываются зашунтированными малыми активными сопротивлениями эмиттерных переходов, смещенных при закрытом состоянии тиристора в прямом направлении. Поэтому напряжение включения тиристора с увеличением скорости нарастания основного напряжения уменьшается.

         Однако эффект включения тиристоров при большой скорости нарастания основного напряжения часто оказывается не положительным, а отрицательным свойством, так как может приводить к самопроизвольному включению тиристора, например при подключении источника питания. Эффективным способом ослабления этого эффекта является шунтирование эмиттерного перехода.

4.3.2. Выключение тиристоров

Выключение тиристоров путем уменьшения тока в цепи основных электродов до значения, меньшего удерживающего тока, или путем разрыва цепи основных электродов. Тиристор будет выключен, т.е. переведен из открытого состояния в закрытое, только после рассасывания неравновесных носителей заряда в базовых областях. Если до окончания процесса выключения вновь подать напряжение между основными электродами тиристора, то он окажется  во включенном состоянии. Таким образом, для выключения тиристора необходимо некоторое время.

При выключении тиристора путем разрыва цепи основных электродов рассасывание неравновесных носителей заряда происходит только в результате рекомбинации. Такой способ выключения применяется, когда время выключения тиристора не влияет на работу той или иной схемы.

         Для ускорения процесса рассасывания неравновесных носителей заряда, накопленных в базовых областях при прохождении прямого тока через открытый тиристор, необходимо  понизить потенциальный барьер  коллекторного перехода. Однако коллекторный переход при открытом состоянии тиристора уже  был смещен в прямом направлении из-за накопленных неравновесных носителей заряда в базовых областях и, следовательно, имел малое сопротивление. Поэтому на долю коллекторного перехода при переключении тиристора на обратное напряжение приходится очень малая часть всего внешнего напряжения. Из-за малого сопротивления тиристора, находящегося еще в открытом состоянии, обратный ток на первом этапе процесса выключения ограничен сопротивлением внешней цепи.

         Существенное уменьшение времени выключения даже при  небольших обратных напряжениях удается получить для тиристоров, проводящих в обратном направлении. У этих тиристоров оба эмиттерные перехода зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих базовых областей. Поэтому даже небольшое обратное напряжение способствует быстрому рассасыванию накопленных в базовых областях неравновесных носителей заряда.

         Для выключения тиристора необходимо отвести неравновесные основные носители заряда из базы, у которой имеется управляющий электрод. В то же время основной ток, проходящий через открытый еще тиристор, непрерывно восполняет количество неравновесных носителей заряда в базовых областях. Таким образом, значение тока управления, необходимого для выключения тиристора, зависит от основного тока через тиристор (рисунок 4.11, а).

Рисунок 4.11 - Зависимость тока управления, необходимого для выключения (для запирания) тиристора, от основного тока

         Некоторые тиристоры с большой площадью p-n-переходов невозможно выключить с помощью тока управляющего электрода при больших токах между основными электродами. Объясняется это тем, что при движении носителей заряда к управляющему электроду (дырок в тиристоре) база тиристора под эмиттерным переходом становится неэквипотенциальной и дальние от управляющего электрода части эмиттерного перехода остаются смещенными в прямом направлении. Инжекция электронов из этих частей эмиттерного перехода поддерживает соответствующую часть тиристорной структуры в открытом состоянии. Стремление же еще большое увеличить ток управляющего электрода путем увеличения напряжения на этом электроде может привести к лавинному пробою эмиттерного перехода так как этот переход имеет обычно малое пробивное напряжение из-за большой концентрации примесей с обеих сторон перехода.

         Таким образом, существуют тиристоры, запираемые и незапираемые по управляющему электроду. Запираемый тиристор – это тиристор, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот при подаче на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности. Но и для запираемого тиристора существует максимально допустимый постоянный запираемый ток I_{з max} – наибольшее значение основного тока, до которого допускается запирание тиристора по управляющему электроду. При использовании в мощных устройствах запираемые тиристоры обладают преимуществами перед транзисторами, поскольку тиристоры способны выдерживать значительно большие напряжения в закрытом состоянии.

4.4. Параметры и характеристики

         Сущность основных параметров тиристоров рассмотрена в предыдущих параграфах, поэтому приведем численные значения и температурные зависимости этих параметров.

         Напряжение включения U_вкл. – это прямое анодное напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого в открытое состояние при разомкнутом управляющем выводе. Для разных типов тиристоров напряжение включения, является изменение времени жизни носителей заряда при изменении температуры. С повышением температуры в рабочем диапазоне температур время жизни носителей возрастает, что приводит, как и в обычных транзисторах, к росту коэффициентов передачи токов. Поэтому напряжение включения с повышением окружающей среды уменьшается.

         У некоторых тиристоров первоначальным процессом, приводящим к увеличению суммарного коэффициента передачи тиристорной структуры и к переключению тиристора в открытое состояние, является лавинное умножение носителей заряда в сильном электрическом поле коллекторного перехода. Напряжение включения таких тиристоров увеличивается при увеличении температуры, так как при этом уменьшается длина свободного пробега носителей заряда.

         Ток включения I_вкл. – это такое значение прямого анодного тока через тиристор, выше которого тиристор переключается в открытое состояние при разомкнутой цепи управляющего вывода.

         Ток включения уменьшается с повышением температуры в связи с увеличением времени жизни носителей заряда и с увеличением коэффициентов передачи тока.

         Отпирающий  ток управления I_у.вкл. – наименьший ток в цепи управляющего вывода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при данном напряжении на тиристоре. Отпирающий ток управления протекает в цепи управляющего вывода при некотором напряжении управления U_у.вкл, которое необходимо приложить между управляющим выводом и выводом от эмиттерной области , прилагающей к соответствующей базе.

         С повышением температуры тиристора из-за увеличения времени жизни носителей и из-за соответствующего роста коэффициента передачи токов отпирающий ток управления, а значит, и напряжение управления уменьшаются.

         Время задержки t_з – время, в течение которого анодный ток через тиристор возрастает до величины 0,1 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса, или время, в течение которого анодное напряжение на тиристоре уменьшается дл 0,9 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Оба определения равноценны  при чисто активной нагрузке во внешней цепи тиристора.

         Время задержки и время включения зависят от управляющего тока, уменьшаясь с увеличением амплитуды управляющего импульса тока. Связано это с возникновением больших градиентов концентрации носителей в тиристорной структуре и, следовательно, с возникновением больших диффузионных токов, которые обеспечивают более быстрое накопление неравновесных носителей в базовых областях тиристора, т.е. обеспечивают включение тиристора.

         Время включения t_вкл – время, в течение которого ток через тиристор возрастает до 0,9 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Если внешняя цепь представляет собой чисто активную нагрузку для тиристора, то во время включения тиристора с увеличением тока соответственно уменьшается напряжение на тиристоре. Поэтому время включения в этом случае принято определять как время, в течение которого напряжение на тиристоре уменьшается до 0,1 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса.

         Максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)_max – скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой еще не происходит переключение тиристора в открытое состояние при отключенном управляющем выводе. Кроме максимально допустимой скорости  нарастания прямого напряжения используется иногда другой параметр тиристора – критическая скорость нарастания прямого анодного напряжения, т.е. такая минимальная скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой происходит переключение тиристора в открытое состояние. Критическое напряжение, при котором происходит самовключение тиристора, при больших величинах du/dt  называют  напряжением самовключения. Оно меньше напряжения включения. Поэтому во всех случаях, чтобы исключить ложное переключение тиристора, амплитуда подаваемого напряжения и скорость его нарастания должны быть меньше допустимых  значений напряжения самовключния и (du/dt)_max.

         Максимально допустимая скорость нарастания прямого тока  (di/dt)_max  - скорость  нарастания  прямого анодного тока через  тиристор, не вызывающая необратимых процессов в тиристорной структуре и связанного с ними ухудшения электрических параметров тиристора. При любом способе включения тиристора процесс переключения начинает развиваться в ограниченном объеме, а затем распространяется по всей структуре. Таким образом, происходит неравномерное распределение тока по площади p-n-переходов тиристора. В тиристорах с большой площадью p-n-переходов, т.е. в мощных тиристорах, высокую проводимость весь объем тиристорной структуры может приобрести иногда только через несколько десятков микросекунд с момента подачи управляющего  импульса.

         При высоких скоростях нарастания прямого тока вблизи управляющего электрода (при включении тиристора с помощью тока управления) плотность прямого тока достигает больших значений и может произойти локальный разогрев структуры до температуры плавления кремния с последующим разрушением кремниевой пластинки или с последующим выходом тиристора из строя.

         Бороться с этим явлением можно двумя способами: 1) управляющий электрод делают распределенным по всей площади тиристорной структуры; 2) ограничивают скорость нарастания прямого тока путем соответствующих схемных решений, например, включая последовательно с тиристором небольшую индуктивность.

         Максимально допустимый ток в открытом состоянии I_пр.max – максимальное  значение тока в открытом состоянии, при котором  обеспечивается заданная надежность тиристора. Для тиристоров разных типов максимально допустимый ток в открытом состоянии  от 40 мА до 1000 А. Максимально допустимый ток определяется из условия, что температура любой части тиристорной структуры при работе тиристора не должна превышать допустимого значения  (обычно 140^оС). Нагрев тиристора во время работы происходит из-за электрических потерь при прохождении прямого тока, токов утечки в закрытом тиристоре, тока в цепи управляющего вывода и от коммутационных потерь.

         Остаточное напряжение U_пр – значение напряжения на тиристоре, находящемся в открытом состоянии, при прохождении через него максимально допустимого тока. Остаточное напряжение обычно не превышает 2 В.

         Ток выключения I_выкл. – значение прямого тока через тиристор при разомкнутой цепи управления, ниже которого тиристор выключается. В зависимости от  типа тиристора ток выключения. В зависимости от типа тиристора ток выключения может быть от нескольких миллиампер до нескольких десятых долей ампера.

Ещё посмотрите лекцию "Лекция 7 - Вычисление частотных характеристик" по этой теме.

         С повышением температуры величина тока выключения уменьшается в связи с ростом времени жизни носителей и увеличением коэффициентов передачи токов при тех же величинах проходящего  через тиристор тока.

         Время выключения t_выкл. – время от момента перемены тока, проходящего через тиристор, с прямого на обратный  до момента, когда тиристор полностью восстановит запирающую способность в прямом направлении. Процесс выключения тиристора связан с исчезновением избыточных зарядов неравновесных носителей в базовых областях вследствие рекомбинации и ухода неравновесных носителей через p-n-переходы. Для ускорения процесса выключения в большинстве случаев к тиристору прикладывают обратное анодное напряжение. На рисунке 4.12 изображена кривая тока через тиристор для случая, когда в момент времени t₀ к тиристору, находящемуся в открытом состоянии, приложено обратное напряжение.

         В первый момент после переключения анодного напряжения на обратное ток через тиристор определяется сопротивлением нагрузки и равен  I^´_обр.≈U_обр./R_и (при  чисто активном сопротивлении нагрузки). Сопротивление тиристора в это время  мало, так как велики концентрации неосновных носителей заряда около p-n-переходов. К моменту t₁ сильнолегированная p-база теряет избыточный заряд неравновесных носителей, и напряжение u_э1 на p-n-переходе I падает до нуля, а затем изменяет знак. К моменту времени t₂  ток через тиристор уменьшается до величины I˝_обр=. С двух сторон эмиттерного p-n-перехода I находятся низкоомные (из-за большой концентрации примесей) области кристалла кремния. Поэтому пробивное напряжение этого p-n-перехода мало. Следовательно, обратное напряжение на этом p-n-переходе достигает пробивного и  затем стабилизируется (в момент времени t₂).

         При дальнейшем  рассасывании напряжение на эмиттерном p-n-переходе 3 достигает нуля. Ток через тиристор с этого момента опять быстро уменьшается  до величины, соответствующей установившемуся обратному току I_обр.

         Значит, в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ в базовых областях около p-n-перехода 2 сохраняется еще значительная избыточная концентрация носителей заряда, что обеспечит переключение тиристора в открытое состояние при подаче в этот момент на тиристор даже небольшого прямого напряжения, т.е. тиристор еще не восстановил запирающей способности для прямого напряжения. Таким образом, время выключения превышает время восстановления запирающей способности тиристора для обратного напряжения, Время выключения тиристоров может доходить до нескольких десятков микросекунд. Оно зависит от геометрии тиристора и от времени жизни неосновных носителей заряда в базовых областях (в основном от времени жизни неосновных  носителей в толстой высокоомной области базы).

         Время выключения тиристоров увеличивается с повышением температуры, что также связано с ростом времени жизни носителей заряда, с замедлением процесса рекомбинации неравновесных носителей в базовых областях тиристора.