Тиристоры

Элементы с падающим участком вольтамперной характеристики (т.е. с ОДС) аналогичных ламповому тетроду можно создать и на основе полупроводниковых материалов с p - n переходами. Такие приборы, называемые тиристорами, чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротив­лением. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Первые из них называют динисторами, вторые – тринисторами.

Оба класса тиристоров представляют собой приборы с четырехслойными p-n-p-n структурами (см. рис. 1.16). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n -областью, называется катодом, а с внешней p -областью – анодом. Для тринисторов дополнительный управляющий электрод подключен либо к средней n -области, либо к средней p -области в зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей. Соответственно различают тринисторы с анодным и катодным управлением (рис.1.16 б и c).

Рис. 1.16. Тиристоры: (а) динистор, (b) тринистор с анодным управлением, (с) тринистор с катодным управлением, d) обозначение тиристора.

Рассмотрим кратко работу динистора.

С учетом знаков приложенного напряжения (рис.1.17) эмиттерные переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на среднем переходе 2, смещенным в обратном направлении, который назовем коллекторным.

Рис.1.17. Схема динистора с последовательным включением p ₁ -n ₁ -p ₂ и n ₁ -p ₂ -n ₂ транзисторов.

Через переход 1 первого p ₁ -n ₁ -p ₂ транзистора дырки инжектируются из p ₁-области n ₁-область, играющий роль базы. Пройдя базу и коллекторный переход 2, дырки появляются в p ₂-области, который является одновременно коллектором первого и базой второго (уже n ₁ -p ₂ -n ₂) транзистора. Этот ток определяется из выражения (1.8):

I_p = I_pKБО + α ₁I_Э (1.9),

где I_pKБО – обратный дырочный ток коллекторного перехода 2, α₁ – коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Дырки в p ₂-базе второго транзистора создают некомпенсированный положительный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n ₂ в область p ₂, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n ₁ второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (p ₁- n ₁- p ₂).

Этот электронный ток (см.(1.8)) равен:

I_n = I_nKБО + α ₂I_Э (1.10),

где I_nKБО – обратный электронный ток коллекторного перехода 2, α ₂ – коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора.

Эмиттерные токи I_Э обоих транзисторов равны внешнему току цепи. Суммируя оба тока (1.9) и (1.10), получаем

(1.11),

где I_KБО = I_pKБО + I_nKБО – суммарный обратный ток коллекторного перехода 2, a = a ₁ + a ₂ – суммарный коэффициент передачи тока.

Как видно из формулы (1.11) при a ®1 I _Э®¥. Это есть условие положительной обратной связи переключения динистора, при котором инжекция электронов в область n ₁ вызывает встречную инжекцию дырок из области p ₁ в область n ₁, и наоборот, так что ток в эквивалентных транзисторах лавинообразно возрастает.

Рассмотренные процессы определяют ВАХ динистора (рис.1.18), на прямой ветви которой можно выделить две устойчивые зоны: область III с малыми значениями тока при больших значениях напряжения и область отпирания I с большими токами при малых напряжениях. Точки B и A соответствуют выполнению условию a = 1 и называются точками включения и удержания динистора соответственно. Между этими точками находится зона II, где динистор обладает ОДС.

Рис.1.18. ВАХ динистора. Пунктиром показан участок с ОДС.

Обратная ветвь ВАХ динистора аналогична ВАХ диода.

Если управление током динистора возможно только за счет изменения напряжения внешнего источника, управление (сквозным) током тринистора можно осуществлять током одной из базовых областей (рис.1.16 б и c). Для этого на управляющий электрод необходимо подать напряжение такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. Как видно из рисунка 1.19, с возрастанием I _упр уменьшается напряжение включения тринистора, так что при достаточно большом значении I _упр вид прямой ветви ВАХ будет аналогичен прямой ветви ВАХ диода.

Рис. 1.19. ВАХ тринистора.

Отметим, что в отличие классических планарных четырехслойных тиристоров существуют их различные модификации в зависимости от количества и формы p-n -контактов. Например, тиристоры, называемые симметричными, могут переключаться, как в прямом, так и обратном направлении.