Тиристор (989937)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р₁-n₁-р₂-n₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n перехода (П₁, П₂ и П₃). Обе внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области - базами (Б₁, Б₂) тиристора (см. рис. 7.1а). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ - коллекторный переход.

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

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

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

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

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

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

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

Вольт-амперная характеристика тиристора

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

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

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

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

Феноменологическое описание ВАХ динистора

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

Рис. 7.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

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

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

(7.1)

Если I_П3 - ток через переход П₂, аналогично:

(7.2)

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

(7.3)

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

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

(7.4)

откуда

(7.5)

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

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

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

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

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

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

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

Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

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

По мере роста прямого напряжения на p-n переходе диффузионная компонента тока J_pD начинает превалировать над рекомбинационной. В терминах эффективности эмиттера γ это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера, а следовательно, и увеличению коэффициента передачи α = γ·κ. На рисунке 7.6 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов - рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке 7.8 - типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I_э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n перехода.

Рис. 7.8. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I_э при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ p-n переходов

Тринистор

Как уже говорилось, чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n₁ и положительный в базе р₂. Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П₁ и П₃ при увеличении напряжения на тиристоре до U_перекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б₁ и Б₂ можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом (см. рис. 7.1б).

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ответов (шпаргалок)