1.13. Тиристоры, фототиристоры, оптопары

Тиристоры. Полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением называется тиристором.

Тиристор может находиться в двух состояниях: в закрытом или выключенном- тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток; в открытом или включенном - сопротивление тиристора мало и он пропускает большой ток.

По сравнению с биполярными транзисторами тиристоры обеспечивают больший коэффициент усиления по току включения имеют большой прямой ток и одновременно высокое обратное напряжение.

Двухэлектродные тиристоры называются динисторами, а трехэлектродные- тринисторами.

Тринистор имеет следующие выводы (рис. 1.28). А-анод, К-катод, УЭ- управляющий электрод. ВАХ тиристора показана на рис. 1.29.

При I_У=0 ВАХ тринистора будет соответствовать ВАХ диодного тиристора. Область ВАХ АВ соответствует закрытому состоянию тиристора,

Рис.1.28

через который протекает небольшой ток (несколько микроампер). ВС- участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, начинающийся при напряжении на тиристоре равным U_вкл. СД - участок прямой проводимости, U_откр- напряжение на тиристоре в открытом состоянии. После достижения U_вклтиристор скачкообразно переходит из точки В в точку С, и через него протекает достаточно большой прямой ток. АЕ - участок обратного запирания, EF - участок обратного пробоя.

Наиболее распространены тиристоры со структурой p-n-p-n

(рис. 1.30, а). Переходы П₁и П₃включены в прямом направлении, а переход П₂в обратном, и на нем падает большая часть приложенного напряжения. На рис 6.26б показана двухтранзисторная модель тиристора. Коллектор каждого транзистора соединен с базой другого транзистора.

Переход П₂является коллекторным для дырок и электронов инжектированных соответственно из области p₁и n₂.

Токи инжекции через переходы П₁и П₃определяются малыми напряжениями на них из-за большого сопротивления обратновключенного перехода П₂. Полный ток через переход П₂ складывается из токов инжекции носителей и обратного тока самого перехода.

При напряжениях меньших U_ВКЛанодный ток определяется обратным током перехода П₂, вследствие малости токов инжекции.

С повышением анодного напряжения увеличиваются токи инжекции через переходы П₁и П_3.

Дырки из области p₁через переход П₂попадают в область p₂заряжают ее положительно и снижают потенциальный барьер на П₃, что вызывает возрастание инжекции электронов из областиn₂. Электроны инжектированые из n₂через переход П₂попадают в область n₁, понижают ее потенциал и тем самым увеличивают инжекцию из области p₁.

Таким образом в тиристоре осуществляется положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению анодного тока. При увеличении анодного тока возрастает концентрация носителей в переходе П₂и его сопротивление резко падает.

Если последовательно с тиристором включен резистор (рис. 1.31), то почти все прикладываемое напряжение будет падать на резисторе после перехода тиристора в открытое состояние.

Рис. 1.29

а) б)

Рис. 1.30

Рис. 1.31

Рис. 1.32

Падение напряжения на включенном тиристоре определяется суммой падений напряжений на трех прямовключенных p-n-переходах и на объемных сопротивлениях областей полупроводника и составляет 1.5-2 В.

Если в цепи управляющего электрода протекает ток I_У, то это приводит к увеличению инжекции через переход П₃, что позволяет при меньшем анодном напряжении обеспечить включение тиристора.

Выключить тиристор можно снизив анодное напряжение до нуля или до отрицательного значения. Управляющий электрод выполняет только функции включения.

Одной из разновидностей тиристоров являются симисторы- переключающие приборы, работающие как при положительном так и при отрицательном напряжениях, т.е. в цепях переменного тока. ВАХ симистора показана на рис. 1.32.

Фототиристоры.Структура фототиристораp-n-p-nпоказана на рис.1.33.

Рис.1.33

При отсутствии освещения фототиристор работает как обычный динистор. При освещении анодный ток, протекающий через фототиристор будет складываться из теплового тока обратносмещенного перехода П2 и фототоков, протекающих через переходы П1, П2, П3. Величина фототоков изменяется в зависимости от уровня освещенности и играет роль тока управляющего электрода в обычном тиристоре. С увеличением потока излучения уменьшается напряжение включения фототиристора.

Оптопары. Оптопарой называется оптоэлектронный прибор, содержащий излучатель и фотоприемник оптически и конструктивно связанные друг с другом.

В излучателе электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение. В фотоприемнике энергия светового излучения преобразуется в электрический ток или напряжение. Связь между входом (излучателем) и выходом (фотоприемником) оптическая, что обеспечивает гальваническую разрядку между входом и выходом.

В качестве излучателя могут использоваться инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, электролюминесцентный порошковый или пленочный излучатель, полупроводниковый лазер. Наибольшее распространение получил инфракрасный излучающий диод, т.к. он имеет наибольший КПД (до 10%) и отличается простотой структуры и управления.

В качестве фотоприемника используются фоторезисторы, фотодиоды, фототиристоры, фототранзисторы, однопереходные фототранзисторы. В соответствии с видом фотоприемника различают резисторные, диодные, тиристорные и транзисторные оптопары, обозначения которых показаны на рис.1.34.

Рис.1.34

Структура диодного оптрона показана на рис. 1.35.

Рис. 1.35

Диодный оптрон используется в качестве ключа и может коммутировать ток с частотой до десятков МГц. Сопротивления в закрытом состоянии (темповое) составляет 10⁸10¹⁰Ом, в открытом от сотен Ом до нескольких кОм. Сопротивление между входной и выходной цепями 10¹³10¹⁵, что позволяет полностью гальванически развязать входную и выходную цепи.