Транзисторная модель диодного тиристора (динистора)

ГЛАВА 6

ТИРИСТОРЫ

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-n-переходами, на вольт-амперной характеристике которого есть участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях – закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора высокое и он пропускает малый ток. В открытом состоянии сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток. Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором или динистором. Структура динистора представлена на рис. 6.1,а. Динистор имеет три р-n-перехода (, , ) и два вывода, называ­емые катодом (К) и анодом (А). Тиристор можно представить, ис­пользуя штриховые линии разреза, в виде модели, состоящей из двух транзисторов ( и ) типа n-р-n и р-n-р и соединенных, как показано на рис. 6.1,б. Тогда переходы , являются эмиттерными переходами условных транзисторов, а переход работает в обоих транзисторах как коллекторный переход.

Двухтранзисторная модель диодного тиристора с условными обозначениями транзисторов и изображена на рис. 6.2. Эта модель позволяет свести рассмотрение тиристора к тео­рии биполярных транзисторов с учетом связи, существующей в этой модели между транзистора­ми и . Эта связь имеет принципиальное значение и за­ключается в следующем. Коллекторный ток транзистора явля­ется базовым током транзистора ( = ) и поэтому увеличива­ет коллекторный ток транзистора , рассматриваемого в схеме включения с ОЭ. В свою очередь, коллекторный ток является ба­зовым током транзистора ( = ) и увеличивает коллекторный ток этого транзистора . Так как = , то увеличение приведет к росту и т.д. Такой процесс принято называть положительной обратной связью. При выполнении некоторых условий эта связь мо­жет привести к недопустимо большому росту тока и разрушению прибора, если не принять меры по ограничению тока. Перейдем к составлению выражений для тока I в цепи тиристора.

Полярность источника питания Е, показанная на рис. 6.1 и 6.2, соответствует так называемому прямому включению тиристора. В соответствии с транзисторной моделью тиристора ток в его внешней цепи можно представить как сумму коллекторных токов транзисторов и . :

Если и – интегральные коэффициенты передачи токов эмитте­ров транзисторов и , а и их обратные токи, то

(6.1)

Но в неразветвленной цепи = = I, следовательно,

(6.2)

где

(6.3)

Полный ток в коллекторном переходе тиристора, как следует из (6.2),

(6.4)

Ранее предполагалось, что в коллекторном переходе нет ла­винного умножения носителей. Если значение обратного напряжения на переходе таково, что следует учитывать лавинное умноже­ние, то все слагаемые тока через коллекторный переход следует ум­ножить на коэффициент лавинного умножения М, значение которого будем для упрощения считать одинаковым для дырок и электронов. Таким образом, вместо (6.1) запишем

а вместо (6.4)

(6.5)

Рассмотрим зависимость величин, входящих в (6.5), от напря­жения на тиристоре и токов через переходы. Известно, что М очень сильно зависит от напряжения на переходе U по мере приближения его к напряжению лавинного пробоя , но при U 0.5 мож­но считать М = 1. В германиевых транзисторах обратный ток коллек­торного перехода является тепловым, его значение определя­ется концентрацией неосновных носителей в базовой и коллекторной областях. Однако тиристоры являются кремниевыми приборами, и по­этому тепловая составляющая тока оказывается незначительной по сравнению с током генерации в обедненной области перехода (области объемного заряда). Вследствие этого можно считать . При увеличении обратного напряжения на коллекторном пе­реходе ширина перехода возрастает и происходит рост числа гене­рируемых носителей, а следовательно, тока и тока .

Коэффициенты передачи токов и зависят от токов эмитте­ров транзисторов и соответственно и от их коллекторных напряжений. Зависимость от коллекторного напряжения объясня­ется эффектом модуляции толщины базовой области (эффект Эрли). С ростом этого напряжения коэффициенты и несколько увеличиваются (см. § 5.3.4). Однако в тиристоре основное влияние на их работу оказывает зависимость и от эмиттерных токов транзисторов и . Зависимость для биполярного транзи­стора рассматривалась в § 5.3.4. При малых токах и соответ­ствующие коэффициенты много меньше единицы ( <<1, <<1), но затем при увеличении и могут существенно возрастать. Таким образом, можно учитывать лишь зависимость от тока эмит­тера. С учетом сказанного функциональные связи можно предста­вить в виде

(6.6)

При этом в знаменателе вместо и подставлен равный им ток I.

Эта формула, учитывающая связи между транзисторами и модели, отражает наличие положительной обратной связи, о которой говорилось перед представлением формулы (6.5).