9. ТИРИСТОРЫ (КРЕМНИЕВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЕНТИЛИ)

9.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Тиристоры - это полупроводниковые диоды, представляющие собой четырехслойную структуру типа р-п-р-п, имеющую выводы от двух крайних областей и от одной внутренней (базовой) области (рис. 9.1).

Катод

oil 062

---.

П1 Пг /7з

Анод

-1-Анод

Управляющий электрод

КатоО h гТтТоГ

Рис 9.1 Тиристор. а-слоистая структура: б - обозначения на схемах.

Если на анод подан положительный потенциал относительно катода, то крайние р-п переходы Hi а Us оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход Яг - в обратном (рис. 9.1), т. е. крайние переходы работают Б качестве эмиттеров и инжектируют неосновные носители во внутренние базовые области четырехслойной структуры, а центральный переход U-z работает в качестве коллектора и собирает неосновные носители, инжектированные крайними переходами. Наличие двухсторонней инжекции и обратносмещенного" центрального перехода в четырехслойной структуре приводит к возникновению

внутренней положительной обратной связи по току, благодаря которой вольтамперная характеристика тиристора имеет два участка устойчивого равновесия, разделенные участком отрицательного сопротивления.

Эквивалеитная схема тиристора может быть представлена в виде двух транзисторов п-р-п и р-п-р, включенных по схеме с общим эмиттером таким образом, что базовый вывод одного связан с коллекторным выводом другого и наоборот, т. е. транзисторы охвачены положительной обратной связью по току, величина которой определяется коэффициентами усиления Gj и аг (ttj и Gz) - коэффициенты передачи по постоянному току в схеме с общей базой транзисторов п-р-п и р-п-р, составляющих четырехслойную структуру) [2, 3]. Известно, что такая схема будет находиться в устойчивом состоянии, если Oj -f аг 1, и будет неустойчива, если Gj аг > 1 [11.

Так как коэффициенты усиления по току зависят от тока эмиттера и коллекторного напряжения, то увеличивая напряжение, приложенное к тиристору, или увеличивая ток управляющего электрода, можно увеличить а и аг и тем самым перевести тиристор из запертого состояния в отпертое.

9.2. СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Если к четырехслойной р-п-р-п- структуре приложено напряжение полярности, указанной на рис. 9.1, то вольтамперная характеристика тиристора может быть записана в следующем виде [1]:

г--- " (9.1)

1 oj aj

где / - ток, протекающий через тиристор; /ут-ток утечки центрального перехода.

Коэффициенты передачи по току и зависят от напряжения и тока, протекающего через тиристор. Типовая зависимость коэффициента передачи по току маломощного транзистора от тока эмиттера показана на рис. 9.2 [1]. Когда напряжение, приложенное к тиристору, меньше напряжения - лавинного пробоя центрального перехода, четырехслойной структуры, то + 1 и ток / ж/ут-

Это соответствует выключенному состоянию, в котором тиристор имеет большое сопротивление (10 - 100 Мом). .

При увеличении приложенного к тиристору напряжения возрастают ток утечки и коэффициенты передачи по току Gj и Кегда (gj -- а) приближается к единице, начинает значительно возрастать ток, протекающий через

тиристор. При Gj -Ь Gi ж 1 в точке включения (Свкл, /вкл),

где dU/dl = О, начинается участок отрицательного сопротивления. За участком отрицательного сопротивления начинается участок включенного состояния. Нижней границей этого участка является точка выключения. Во включенном состоянии все три перехода четырехслойной структуры включены в прямом направлении, а сопротивления областей четырехслойной структуры малы благодаря присутствию в них большого числа носителей заряда. Сопротивление тиристора во включенном состоянии мало и составляет от нескольких долей до единиц ома. Остаточное напряжение на тиристоре практически складывается из падения напряжения на одном из переходов, в базовых областях и омических контактах и может быть записано в следующем виде [3]:

70- I, а

Рис. 9.2. Типичная зависимость коэффициента усиления по току от тока эмиттера

е f

(9.2)

где ю„ - ширина базовой области п-типа; R к - сопротивление контактов.

Если к аноду (рис. 9.1) приложить отрицательный потенциал напряжения, то крайние р-п переходы будут смещены в обратном, а центральный переход - в прямом направлениях. Таким образом, вольтамперная характеристика тиристора в - выключенном состоянии при обратном смещении представляет собой вольтамперную характеристику двух последовательно включенных р-п переходов, смещенных в обратном направлении.