Принцип работы динистора

Динистор – это неуправляемый тиристор, имеющий четырехслойную p-n-p-n -структуру, изготовленную на основе кремния (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Структура динистора

Анодом (А), который обычно связан с положительным полюсом источника напряжения, является область р -типа, катодом (К)- область n -типа.

Крайние области динистора (р ₁ и n ₂) называются эмиттерами, средние (р ₂ и n ₁) - базами. Между областями с различным типом проводимости образуются p-n- переходы (П₁, П₂, П₃), каждый из которых в равновесии характеризуется контактной разностью потенциалов Dj_{0 i} (см. п. 2.2.1) величиной примерно один вольт за счет специального подбора концентрации примесей в каждой области.

P-n- переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, а переход П₃ - коллекторным.

Как известно, на границе каждого из p-n- переходов (рис. 5.1) образуются неподвижные заряды ионов доноров и акцепторов (см. п. 2.1). В частности, объемный заряд p-n- перехода П₃ образован неподвижными положительными ионами доноров (слева) и отрицательными ионами акцепторов (справа), так что вектор напряженности электрического поля Е внутри p-n- перехода направлен по оси Х.

Подключим динистор в схему, представленную на рис. 5.2, а, в которой напряжение питания U _п подается через ограничительный резистор R _огр на динистор (²+² на аноде). Для упрощения анализа заземлим катод динистора. Очевидно, что напряжение U _п распределяется между динистором и резистором R _огр пропорционально величине их сопротивлений, так что на динисторе между анодом и катодом имеется некоторое напряжение U _А.

Рассмотрим процессы, происходящие в приборе при возрастании анодного напряжения U _А (рис 5.2, а). При подаче на анод ²+² (прямое включение тиристора) эмиттерные p-n- переходы П₁ и П₂ (рис. 5.1) включены в прямом направлении, а p-n- переход П₃ - в обратном.

Рис. 5.2. Схема включения (а) и ВАХ (б) неуправляемого тиристора

В закрытом состоянии тиристора сопротивление R _закр коллекторного p-n- перехода П₃ очень большое: R _закр >> R _огр. Поэтому напряжение источника U _п в схеме, представленной на рис. 5.2, а, главным образом, падает не на ограничительном резисторе R _огр, а на динисторе, и в данном режиме анодное напряжение практически равно напряжению питания U _А» U _п.

Заметим, что поскольку эмиттерные p-n- переходы включены в прямом направлении, то их сопротивление крайне мало, и все напряжение U _А» U _п, приложенное между контактами А и К, фактически падает на обратно смещенном переходе П₃.

Вольтамперная характеристика динистора представлена на рис. 5.2, б.

По мере возрастания анодного напряжения U _А (рис. 5.2, первый квадрант, участок ВАХ 0-1), ток I _A, протекающий между анодом и катодом, весьма мал (доли миллиампер), и представляет собой тепловой ток коллекторного p-n- перехода П₃. Заметим, как у всякого реального обратно смещенного p-n -перехода, тепловой ток I ₀(U) немного возрастает при увеличении анодного напряжения.

Одновременно, по мере увеличения анодного напряжения U _А внутри структуры тиристора развиваются следующие процессы. Через прямо смещенные эмиттерные p-n- переходы П₁ и П₂ возрастают потоки основных носителей. Электроны (рис. 5.1) (из области n ₂) и дырки (из области p ₁) инжектируются через прямо смещенные p-n- переходы в соответствующие базы. В частности, дырки из области p ₁ инжектируются в базу n ₁ через переход П₁, после чего дрейфуют в этой базе к p-n- переходу П₃ (рис. 5.1), подходят к коллекторному переходу П₃, и, захватываясь полем данного p-n -перехода, перебрасываются в базу р ₂ (область объема D). Дальнейшее движение дырок (вправо) в этой базе невозможно из-за положительного градиента потенциала в данной базе, созданного соответствующим легированием объема кристалла примесями. Именно поэтому, дырки, инжектированные из p ₁-области, накапливаются в области "правой границы" коллекторного p-n- перехода П₃ (область объема D).

Аналогично, электроны из эмиттера n ₂, проходя через базу р ₂ и коллекторный p-n- переход П₃, накапливаются вблизи левой границе коллекторного p-n- перехода (рис. 5.1, область объема С).

Другими словами, по мере возрастания анодного напряжения U _А в области границ обратно смещенного p-n- перехода П₃ (области С и D) накапливается двойной электрический слой, созданный заряженными свободными носителями заряда (дырки – справа; электроны – слева). Эти носители заряда являются неравновесными, т.к. их концентрация определяется величиной протекающего тока и напряжения. Из пространственного расположения этих носителей (²+² - справа; ²-² слева) следует, что совокупность накапливаемых зарядов создает дополнительное электрическое поле, уменьшающее исходную напряженность Е поля в p-n- переходе П₃.

Следовательно, по мере при возрастания анодного напряжения и незначительного увеличения тока I _А (тока обратно смещенного коллекторного перехода) суммарное электрическое поле p-n- перехода П₃ уменьшается. Наконец, при анодном напряжении, равном напряжению включения U _вкл (рис. 5.2, точка 1), коллекторный p-n- переход П₃ переключается из закрытого состояния в открытое.

В целом, все p-n -переходы П₁, П₂, П₃ оказываются открытыми, и так как их сопротивление крайне мало, то анодный ток через структуру динистора скачкообразно возрастает (рис. 5.2, б, участок II, 1-2) от значения I _вкл. до I _А2. Смена режима работы (иногда говорят, переход) из одного состояния в другое является неустойчивым и происходит достаточно быстро.

Увеличение анодного тока I в процессе изменения состояния на участке 1-2 (рис. 5.2, б) связано с резким уменьшением сопротивления p-n -перехода П₃ (ранее обратно смещенного, а теперь – прямо смещенного). Теперь сопротивление открытого тиристора равно R _откр, причем R _откр << R _огр. Поэтому напряжение собственно на структуре динистора уменьшается и становится равным U _А2. Заметим, что в открытом состоянии на приборе (между контактами А и К) падает незначительное напряжение U _А2 (в пределах нескольких вольт), поскольку сопротивление включенного динистора, определяемое величиной сопротивления трех открытых p-n- переходов, мало. Фактически на каждом из p-n- переходов падает напряжение не более D U_а до одного вольта (см. п. 2.1.2).

Поскольку до открытия тиристора на источнике питания (рис. 5.2, б, точка 1) было большое напряжение, равное U _п1 = U _вкл = R _закр I _вкл, то при скачкообразной смене режима работы из точки 1 к точке 2 это напряжение U _п1 перераспределяется между динистором и ограничительным сопротивлением R _огр, т.е. U _п1 = U _a2 + U_{R огр}» U_{R огр}, а анодный ток равен: I _А2 = U _п/(R _огр + R _откр). Другими словами, теперь практически все напряжение источника приложено к ограничительному резистору, и именно резистор R _огр ограничивает возрастание силы тока в цепи открытого динистора после переключения (смены режимы работы) из закрытого состояния в открытое.

Описанный выше процесс называется включением тиристора.

Поскольку включение тиристора характеризуется увеличением тока I _А в цепи и сопровождается уменьшением напряжения U _А на его контактах (между анодом и катодом), то на вольтамперной характеристике возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (r _диф = d U /d I < 0).

Итак, после протекания быстрого процесса включения динистора в цепи устанавливается некоторый ток I _А2, величина которого, главным образом, зависит от напряжения источника питания U _п, величины ограничительного сопротивления R _огр.

Таким образом, динистор открылся, и через него может протекать значительный анодный ток, регулируемый величиной напряжения источника питания и ограничительным резистором (рис. 5.2, б, участок III). Заметим, что увеличение тока I _А (от точки 2 к точке 3) происходит по закону, описывающему прямую ветвь вольтамперной характеристики диода. При этом в области больших анодных токов напряжение на открытом тиристоре изменяется незначительно, и при фиксированном анодном токе имеет значение U _откр, указываемое в паспорте прибора.

В процессе управления тиристором возможно как включать, так и выключать прибор с помощью внешнего воздействия.

Как выключить динистор, учитывая, что в открытом состоянии p-n -переход открыт, и на его границах (рис. 5.1, области объема С и D) накоплен значительный заряд инжектированных неравновесных носителей заряда?

Выключение тиристора может быть реализовано несколькими путями:

1) уменьшением напряжения между анодом и катодом, так что анодный ток I _А уменьшается до значения I _выкл (рис. 5.2, б, точка 4). При этом за счет рекомбинации (исчезновения) и экстракции (вывода) неравновесных носителей из баз коллекторный p-n- переход П₃ вновь включается в обратном направлении и его сопротивление возрастает. Таким образом, реализуется смена режима работы – процесс переключения тиристора из открытого состояния в закрытое.

2) простым выключением динистора, путем прерывания тока в цепи динистора. Заметим, что при снятии анодного напряжения (при разрыве цепи анодного тока) тиристор лишь через некоторое время t (время жизни неравновесных носителей в базах) оказывается в полностью выключенном состоянии. Другими словами, тиристор окончательно выключается лишь после протекания процессов рекомбинации неравновесных носителей в базах. В том же случае, когда напряжение на аноде появляется через время, меньшее, чем значение t, тиристор вновь оказывается во включенном состоянии;

3) ускорением процесса рекомбинации носителей. Это достигается путем подачи на тиристор импульсного напряжения обратной полярности, в результате чего ускоряется процесс рекомбинации неравновесных носителей, описанный выше.

Обратная ветвь вольтамперной характеристики динистора (рис. 5.2, б, третий квадрант), которая получается при подаче на контакт анода отрицательного потенциала по отношению к катоду, представляет собой характеристику, аналогичную обратной ВАХ диода. В этом режиме два p-n- перехода П₁ и П₂ будут включены в обратном направлении и через них будут протекать незначительный тепловой ток вплоть до напряжения, называемое напряжением загиба U _заг. При этом напряжении начинаются процессы необратимого пробоя обратно смещенных p-n- переходов П₁ и П₂, и поэтому дальнейшее увеличение напряжения питания недопустимо.

Анализируя работу динистора (рис. 5.2, б) можно сделать вывод: если напряжение питания имеет такие значения, что | U _п| < U _вкл (первый квадрант), | U _п| < U _заг (U _заг - напряжение, при котором начинаются пробойные процессы), то тиристор всегда будет закрыт.