Тема 4. Компоненти електронних кіл
3. Тиристори
Тиристорами називають багатошарові напівпровідникові прилади з трьома і більше p-n – переходами, які характеризуються двома стійкими станами: відкритим та закритим, і можуть перемикатися з одного стану в інший.
Класичні тиристори мають чотиришарову структуру, розділену трьома p-n – переходами (рис. 3.10). Крайні області p1 та n2 цих тиристорів називають емітерами, а виводи від цих областей – відповідно, анодом (А) та катодом (К).
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m1.jpg)
Рис.3.10. Структура класичного тиристора
Внутрішні області n1 та p2 називають базами. Крайні p-n-переходи П1 та П3 називають емітерними, а внутрішній p-n – перехід П2 – колекторним.
За кількістю зовнішніх виводів тиристори поділяють на діодні, тріодні і тетродні. Діодні тиристори мають два зовнішні виводи: анод і катод. У тріодних тиристорів є три виводи: анод, катод і керуючий електрод (КЕ), який під'єднаний до однієї з баз. Тетродні тиристори мають чотири виводи, два – під’єднані до баз, які є керуючими. Крім них, існує група симетричних діодних та тріодних тиристорів, які здатні перемикатись із закритого стану у відкритий та навпаки як в прямому, так і у зворотному напрямах. Їх називають симісторами. Схемні позначення тиристорів подано на рис. 3.11.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m2.jpg)
Рис. 3.11. Схемні позначення тиристорів: діодних (а); тріодних (б); тетродних (в); симетричних діодних (г); симетричних тріодних (д)
Діодні тиристори, або диністори – це напівпровідникові прилади з чотирма p- і n-областями, розділеними трьома p-n – переходами, які мають два виводи: анод і катод. Структура цих тиристорів аналогічна структурі, показаній на рис. 3.10.
У разі подання на діодний тиристор прямої напруги (плюс до анода і мінус до катода) переходи П1 та П3 змістяться у прямому напрямі, а колекторний перехід П2 – у зворотному. Практично вся прикладена напруга буде зосереджена на зворотно зміщеному колекторному переході, а падіння напруг на прямо зміщених емітерних переходах буде незначним.
Струм тиристора за такого вмикання буде визначатися носіями зарядів, що інжектовані через прямозміщені емітерні переходи, які, дифундуючи через бази, наближатимуться з обох боків до колекторного переходу. Внутрішнє електричне поле цього переходу є для них прискорювальним, і вони перетягуватимуться цим полем в сусідні області (бази), де поповнять кількість основних носіїв зарядів, що збільшуватиме електропровідність баз та зменшуватиме потенціальні бар’єри p-n – переходів, які прилягають до них. До певного значення прикладеної напруги ці потоки носіїв зарядів та відповідно струм тиристора будуть незначними через те, що колекторний перехід залишається зміщеним у зворотному напрямі.
Відкриття диністора відбувається за певного значення прямої напруги, прикладеної до нього.
Проте у разі збільшення прямої напруги колекторний перехід розширюється і напруженість його електричного поля зростає. Коли напруга досягне певного значення UВМК, у колекторному переході виникає ударна іонізація, яка спричинить лавинне розмноження носіїв зарядів (лавинний електричний пробій колекторного переходу). Утворені електрони перекидатимуться в базу n1, а дірки в базу p2. Струм тиристора збільшиться. Перехід П2 внаслідок зменшення потенціального бар’єра через накопичення основних носіїв зарядів у базах зміститься прямо і його опір та відповідно падіння напруги на ньому зменшаться. Все це призведе до підвищення напруг на емітерних переходах та збільшення інжекції носіїв зарядів і спричинить подальше зростання струму тиристора. Описаний процес відбувається лавиноподібно.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m3.jpg)
Рис. 3.11а. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора
Внаслідок цього струм тиристора різко зростає, а напруга зменшується і на вольт-амперній характеристиці (рис.3.11, а) виникає ділянка АВ, на якій диференційний опір від'ємний.
Діодний тиристор переходить із закритого стану (ділянка ОА) у відкритий (ділянка ВС). У відкритому стані залежність струму тиристора від напруги така сама, як для звичайних прямозміщених p-n – переходів.
Для вимикання діодного тиристора (переведення його з відкритого стану у закритий) необхідно зменшити прямий струм до значення, нижчого, ніж мінімальний струм Iутр, який утримує тиристор у відкритому стані. Вимикати диністор можна також зміною полярності прикладеної напруги. У разі прикладання зворотної напруги діодний тиристор буде закритим, оскільки переходи П1 та П3 будуть під зворотною напругою.
До основних параметрів діодного тиристора належать:
– напруга вмикання Uвмк – напруга, за якої струм диністора починає різко зростати;
– струм вмикання Iвмк – струм, який протікає через диністор при напрузі вмикання;
– струм утримування Iутр – мінімальний прямий струм, за якого диністор залишається у відкритому стані;
– максимально допустимий прямий струм Iмакс;
– максимально допустима зворотна напруга Uзв. макс – максимально допустиме значення зворотної напруги, яку можна тривалий час прикладати до приладу і це не призведе до його пробиття;
– час вмикання tвмк – час з моменту подання відкриваючого імпульсу і до моменту, коли напруга на диністорі зменшиться до 0,1 від початкового значення;
– час вимикання tвимик – мінімальний час, протягом якого треба подавати запираючу напругу для переведення диністора з відкритого стану в закритий;
– максимальна потужність розсіювання Pмакс.
Тріодні тиристори, або триністори, мають таку саму структуру, як діодні, проте у них є додатковий третій електрод, під’єднаний до однієї з баз, який називають керуючим.
Відкриття триністора здійснюється за допомогою керуючої напруги.
У разі подання на цей електрод зовнішньої напруги, прямої для найближчого емітерного переходу, збільшиться струм цього переходу на величину струму керуючого електрода IКЕ, що призведе до зростання колекторного струму і лавинного розмноження носіїв зарядів (електричного пробою колекторного переходу) за менших напруг, прикладених між анодом і катодом. Отже, змінюючи струм через один з емітерних переходів за допомогою струму керуючого електрода, можна змінювати напругу вмикання тиристора.
Рис. 3.12. Схеми вмикання тріодного тиристора:
з керуванням по катоду (а); з керуванням
по аноду (б)
Полярність напруги, яку подають на керуючий електрод, залежить від того, до якої базової області він приєднаний. Якщо керуючий електрод приєднаний до p-бази (рис. 3.12, а), то тиристор переводиться у відкритий стан під час подання на цей електрод додатної напруги стосовно катода. У цьому разі тиристор називають тріодним тиристором з керуванням по катоду.
У разі приєднання керуючого електрода до n-бази (рис.3.12, б) перемикання тиристора у відкритий стан відбувається у разі подання на цей електрод від’ємної напруги стосовно анода. У цьому разі тиристор називають тріодним тиристором з керуванням по аноду.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m5.jpg)
Рис. 3.13. Типовий вигляд ВАХ тріодного тиристора
Типовий вигляд статичних ВАХ тріодного тиристора з керуванням по катоду зображений на рис. 3.13. Перемикати тріодний тиристор можна зменшенням струму анода або поданням в коло керуючого електрода напруги протилежної полярності.
Тріодні тиристори характеризуються такими самими параметрами, як і діодні. Додаються лише параметри, які характеризують керуюче коло, а саме:
– струм відкривання Iвідкр – найменший струм керуючого електрода, необхідний для вмикання тиристора;
– запираюча напруга на керуючому електроді Uзап – напруга, яка забезпечує необхідне значення струму керуючого електрода, за якого тиристор вимикається.
Перехід тиристора у закритий стан відбувається лише після зняття прикладеної до нього напруги.
Діодний симетричний тиристор, або діак – це напівпровідниковий прилад, який складається з п'яти n- і p-областей, розділених чотирма p-n – переходами, і має два виводи. Структура діака подана на рис. 3.14, а.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m6.jpg)
Рис. 3.14. Структура діодного симетричного тиристора (а), його еквівалент (б), складений з двох паралельно увімкнених діодних тиристорів, та його статична ВАХ (в)
Під час прикладання до такого тиристора напруги мінусом до верхнього виводу і плюсом – до нижнього працює ліва половина приладу (напрям руху електронів вказано стрілкою). При оберненій полярності, показаній знаками в дужках, працює права половина приладу. Отже, роль симетричного тиристора можуть виконувати два звичайні діодні тиристори, увімкнені паралельно і назустріч один одному (рис. 3.14, б). Статична ВАХ діака подана на рис. 3.14, в.
Тріодний симетричний тиристор, або тріак складається з шести p- і n-областей, розділених п'ятьма p-n – переходами. Структура одного з типів таких тиристорів зображена на рис. 3.15, а.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m7.jpg)
Рис. 3.15. Структура симетричного тріодного тиристора (а) та його еквівалент (б), складений з двох паралельно увімкнених діодних тиристорів
У цій структурі умовно можна виділити два тріодні тиристори (рис. 3.15, б), увімкнені паралельно назустріч один одному, один з яких (правий) має додатковий p-n – перехід. При прямому вмиканні, тобто у разі прикладання зовнішньої напруги плюсом до верхнього виводу і мінусом до нижнього працюватиме тріодний тиристор з p-n – переходами П2, П3, П4 та з додатковим переходом П5, який буде при цьому закритим. Керують перемиканням тиристора із закритого стану у відкритий, подаючи на керуючий електрод імпульсу додатну напругу стосовно верхнього виводу, який у такому разі є анодом. На додатковому переході П5 з’явиться пряма напруга і через нього відбуватиметься додаткова інжекція електронів у p-область та їхній дифузійний рух через цю область до переходу П2, електричне поле якого прискорює їх.
У результаті ці носії заряду перейдуть у сусідню n-область, де стануть основними. Це призведе до пониження потенціального бар’єра на переході П2 та відповідно до додаткового зростання інжекції дірок з p-області в n-область, що дасть змогу тиристору перемикатися із закритого стану у відкритий за менших напруг, прикладених між основними виводами.
У разі зміни полярності напруги між основними виводами працюватиме тріодний тиристор з p-n – переходами П1, П2, П3 та керуючим електродом, приєднаним до p-бази, який є звичайним тріодним тиристором з керуванням по катоду.
Сім’я статичних ВАХ симетричного тріодного тиристора подана на рис. 3.16.
![R333](https://org2.knuba.edu.ua/pluginfile.php/66491/mod_book/chapter/216/m8.jpg)
Рис. 3.16. ВАХ симетричного тріодного тиристора
Симетричні діодні та тріодні тиристори характеризуються параметрами, подібними до параметрів звичайних діодних та тріодних тиристорів.