Тиристоры
I. Назначение
Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя (и более) р-п-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Они переключают электрические цепи, регулируют напряжение, преобразуют постоянный ток в переменный. По устройству и принципу работы он очень похож на полупроводниковый диод, но в отличие от него тиристор управляемый.
"Ключевой" характер действия тринистора позволяет использовать его для переключения электрических цепей там, где для этой цели до этого служили только электромагнитные реле. Полупроводниковые переключатели легче, компактнее и во много раз надежнее в работе, чем электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами. В отличие от таких реле они производят переключение с очень большой скоростью - сотни и тысячи раз в секунду, а если нужно - еще быстрее. Тринисторы используют в современной аппаратуре электрической связи, в быстродействующих системах дистанционного управления, в вычислительных машинах и в энергетических устройствах.
II. Классификация
В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные. В диодных тиристорах различают:
Триодные тиристоры подразделяют:
Наиболее распространены динисторы - тиристоры с двумя выводами и тринисторы - приборы с тремя выводами. Кроме того, различают группу включаемых тиристоров.
Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратном направлении, обычно изготовляются из кремния и содержат четыре чередующихся р- и п-области (рис.2.2). Область р1, в которую попадает ток из внешней цепи, называют анодом, область п2 – катодом; области п1, р2 – базами.
Рис.2.2. Структура тиристора.
III. Принцип действия
Если к аноду р1 подключить плюс источника напряжения, а к катоду п2 – минус, то переходы П1 и П3 окажутся открытыми, а переход П2 – закрытым. Его называют коллекторным переходом.
Так как коллекторный р-п-переход смещен в обратном направлении, то до определенного значения напряжения почти все приложенное падает на нем. Такая структура легко может быть представлена в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рис. 2.3, а,б.
а) б)
Рис. 2.3. Структура (а) и схема двухтранзисторного эквивалента тиристора (б).
Ток цепи определяется током коллекторного перехода П2. Он однозначно зависит от потока дырок 
из эмиттера транзистора р-п-р - типа и потока электронов 
из эмиттера транзистора п-р-п- типа, а также от обратного тока р-п-перехода.
Так как переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области р1, электроны – из области п2. Эти носители заряда, диффундируя в областях баз п1, р2, приближаются к коллекторному переходу и его полем перебрасываются через р-п-переход. Дырки, инжектированные из р1-области, и электроны из п2 движутся через переход П2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I.
При малых значениях внешнего напряжения все оно практически падает на коллекторном переходе П2. Поэтому к переходам П1,П3, имеющим малое сопротивление, приложена малая разность потенциалов и инжекция носителей заряда невелика. В этом случае ток I мал и равен обратному току через переход П2. При увеличении внешнего напряжения ток в цепи сначала меняется незначительно. При дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличения ширины перехода П2, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся вследствие ударной ионизации. При определенном напряжении носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области р-п-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.
Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область р2, а электроны – в область п1. Ток через переход П2 увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П1, П3, и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно и сопротивление перехода П2 становится малым.
Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей тиристора, и падение напряжения на приборе становится незначительным. На ВАХ этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис.2.4). После переключения ВАХ аналогична ветви характеристики диода, смещенного в прямом направлении (участок 3). Участок 1 соответствует закрытому состоянию тиристора.
Выключение тиристора осуществляется за счет уменьшения напряжения внешнего источника до значения, при котором ток 
меньше 
(участок 3).
Рис. 2.4. Вольтамперная характеристика динистора
Если параллельно с тиристором включить диод, который открывается при обратном напряжении, то получится тиристор, проводящий в обратном направлении.
Триодные тиристоры (рис. 2.5,а) отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом.
Рис. 2.5. Триодный тиристор:
Изменяя ток можно менять напряжение, при котором происходит переключение тиристора, и тем самым управлять моментом его включения.
Для того, чтобы запереть тиристор, нужно либо уменьшить рабочий ток до значения 
путем понижения питающего напряжения до значения 
, либо задать в цепи управляющего электрода импульс тока противоположной полярности.
Процесс включения и выключения тиристора поясняет рис.2.5,в. Если к нему через резистор R приложено напряжение U1 и ток в цепи управляющего электрода равен нулю, то тиристор заперт. Рабочая точка находится в положении а. Пи увеличении тока управляющего электрода рабочая точка перемещается по линии нагрузки 1. Когда ток управляющего электрода достигнет значения Iy1, тиристор включится, и рабочая точка его переместится в точку b. Для выключения (Iy = 0) необходимо уменьшить напряжение питания до значения 
. При этом рабочая точка из b1 перейдет в а2 и при восстановлении напряжения – в точку а.
Выключить тиристор можно также путем подачи на управляющий электрод напряжения противоположной полярности и создания в его цепи противоположно направленного тока.
Недостатком такого включения является большое значение обратного тока управляющего электрода, которое приближается к значению коммутируемого тока тиристора. Отношение амплитуды тока тиристора к амплитуде импульса выключающего тока управляющего электрода называется коэффициентом запирания: 
. Он характеризует эффективность включения тиристора с помощью управляющего электрода. В ряде разработок 
Тиристоры с повышенным коэффициентом запирания часто называют выключаемыми или запираемыми.
IV. Основные параметры тиристоров
-
Напряжение переключения (постоянное -
, импульсное - 
, десятки – сотни В).
-
Напряжение в открытом состоянии 
- падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии 
-
Обратное напряжение 
- напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи В).
-
Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии 
- максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включения тиристора (единицы – сотни В).
-
Неотпирающее напряжение на управляющем электроде 
- наибольшее напряжение, не вызывающее отпирания тиристора (доли В).
-
Запирающее напряжение на управляющем электроде 
- напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки В).
-
Ток в открытом состоянии 
- максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА – сотни А).
-
Ток удержания 
(десятки – сотни мА).
-
Обратный ток 
(доли мА).
-
Отпирающий ток управления 
- наименьший ток управления электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА).
-
Скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии – максимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (десятки – сотни В/мкс).
-
Время включения 
- время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 своего начального значения (мкс – десятки мкс).
-
Время выключения 
- минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки – сотни мкс).
-
Рассеиваемая мощность 
(единицы – десятки Вт).
Обозначения тиристоров в соответствии с ГОСТ 10862 – 72 состоят из шести элементов. Первый элемент – буква К, указывающая исходный материал полупроводника; второй – буква Н для диодных тиристоров и У для триодных; третий – цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый – порядковый номер разработки; шестой – буква, определяющая технологию изготовления, например КУ201А, КН102И и т.д.
Структура тиристора
Тиристор это четырёхслойный полупроводниковый прибор, слои расположены последовательно их типы проводимости чередуются: p‑n‑p‑n. p‑n‑переходы между слоями на рисунке обозначены как «П1», «П2» и «П3». Контакт присоединенный к внешнему p‑слою называется анодом, к внешнему n‑слою — катодом. В принципе тиристор может иметь до двух управляющих электродов, присоединённых к внутренним слоям. Но обычно изготавливаются тиристоры с одним управляющим электродом, либо вообще без управляющих электродов (такой прибор называется динистором).
Для включения тиристора достаточно кратковременно подать сигнал на управляющий электрод — тиристор откроется и будет оставаться в этом состоянии пока ток через тиристор не станет меньше тока удержания.
Итак, главный принцип работы тиристора и схем на его основе — открываем тиристор подачей сигнала на усправляющий электрод, закрываем снижая ток анод-катод.
Как и в биполярном транзистор главную роль в принципе действия играют неосновные носители заряда (ННЗ) и обратно-смещенный p-n- переход. Пока неосновных носителей мало переход закрыт, но стоит подкинуть ННЗ к переходу и он откроется.
В тиристоре есть два основных способа добавить ННЗ:
1) закачать ток в управляющий электрод;
2) поднять напряжение настолько чтобы возник лавинный пробой.
Динисторное включение тиристора
Для начала рассмотрим второй случай, то есть когда управляющий электрод тиристора отключен.
При подаче напряжения прямой полярности, крайние переходы смещаются в прямом направлении, а средний – в обратном. При значительном увеличении напряжения на силовых электродах, через крайние (П1 и П3), примыкающие к среднему, переходы начинают перемещаться неосновные носители, уменьшая его сопротивление. Процесс происходит медленно, а сопротивление остается большим, но лишь до определенного момента. При некотором значении напряжения (как правило, несколько сотен вольт) процесс становится лавинным(точка 1 на ВАХ), неосновные носители заряда заменяются основными, отпирая средний переход (П2) и уменьшая сопротивление анод-катод. Тиристор отпирается, а падение напряжения между силовыми электродами падает до единиц Вольт (точка 2 на ВАХ).
Дальнейший рост тока ведет только к небольшому росту падения напряжения на тиристоре участок ВАХ от точки 2 до точки 3, это рабочий режим открытого тиристора.
Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий ток ниже тока удержания. Причем падение напряжения соответствующее этому току многократно ниже отпирающего напряжения.
Но зачем тиристору управляющий электрод? Какие преимущества есть у тиристора перед динистором? Дело в том, что подавая напряжение через резистор на управляющий электрод можно увеличивать концентрацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь будет снижать величину напряжения включения тиристора.
А при какой-то величине тока управляющего электрода больше не будет горба на ВАХ, т.е. ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода, кстати этот ток называют током спрямления.
Режим обратного запирания тиристора
При обратном включении тиристора крайние переходы (П1 и П3) смещаются в обратном направлении, а средний в прямом (П2). Тиристор остается закрытым пока не наступит тепловой пробой.
Физические процессы
Если пары по физическим основам электроники на которых рассматривался транзистор я ещё как-то выдерживал, то энергетические зонные диаграммы объясняющие принцип работы тиристора уже были слишком сложны. Очень много ньюансов в концетрациях носителей заряда, толщинах слоев и уровне легирования.
Конечно, чтобы изготовить тиристор с хорошими характеристиками физические процессы протекающие в кристалле полупроводника нужно знать и понимать. Но для разработки электронных схем достаточно знать вольт-амперную характеристику тиристора и его транзисторную модель.
Одну четрехслойную полупроводниковую структуру можно представить как две трехслойные, если посмотреть на рисунок, то в трехслойных структурах можно увидеть два биполярных транзистора n-p-n и p-n-p структуры.
Пока оба транзистора закрыты, ток через них не протекает. Но стоит открытся хоть одному из них, то он тут же откроет второй. Ток коллектора первого транзистора поступит в базу второго и откроет его, а ток коллектора второго, будет являтся базовым для первого и будет поддерживать открытым первый транзистор. Получаетя что оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии. И чтобы они закрылись, нужно снизить ток через ниж ниже определенной величины, так называемого тока удержания.
Поделиться с друзьями: