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).

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.

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.

Проте у разі збільшення прямої напруги колекторний перехід розширюється і напруженість його електричного поля зростає. Коли напруга досягне певного значення U_ВМК, 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.

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 I_утр, 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 U_вмк – напруга, за якої струм диністора починає різко зростати;

– струм вмикання I_вмк – струм, який протікає через диністор при напрузі вмикання;

–        струм утримування I_утр – мінімальний прямий струм, за якого диністор залишається у відкритому стані;

– максимально допустимий прямий струм I_макс;

– максимально допустима зворотна напруга U_{зв. макс} – максимально допустиме значення зворотної напруги, яку можна тривалий час прикладати до приладу і це не призведе до його пробиття;

– час вмикання t_вмк – час з моменту подання відкриваючого імпульсу і до моменту, коли напруга на диністорі зменшиться до 0,1 від початкового значення;

– час вимикання t_вимик – мінімальний час, протягом якого треба подавати запираючу напругу для переведення диністора з відкритого стану в закритий;

– максимальна потужність розсіювання P_макс.

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.

У разі подання на цей електрод зовнішньої напруги, прямої для найближчого емітерного переходу, збільшиться струм цього переходу на величину струму керуючого електрода I_КЕ, 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.

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 I_відкр – найменший струм керуючого електрода, необхідний для вмикання тиристора;

– запираюча напруга на керуючому електроді U_зап – напруга, яка забезпечує необхідне значення струму керуючого  електрода, за якого тиристор вимикається.

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.

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.

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.

Рис. 3.16. ВАХ симетричного тріодного тиристора

 

Симетричні діодні та тріодні тиристори характеризуються параметрами, подібними до параметрів звичайних діодних та тріодних тиристорів.