Лабораторная работа № 10 тиристор

Цель работы: Изучение принципа действия тиристора и схем на его основе.

1. Теоретические сведения

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами, предназначенными для использования в качестве электронных ключей. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тиристоры делят на диодные и триодные.

Среди диодных тиристоров (динисторах) различают: запираемые обратным током, проводящие в обратном направлении, симметричные (симисторы). Переход динистора из закрытого состояния в открытое происходит при превышении напряжения между анодом и катодом некоторого порогового значения, являющегося параметром динистора. Триодные тиристоры подразделяют: 1) на запираемые обратным током с управлением по аноду или катоду, 2) проводящие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду, 3) симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их составе различают две группы тиристоров: незапираемые (однооперационные) и выключаемые (двухоперационные). В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществляется только отпирание тиристора. Запирание однооперационного тиристора, как и динистора, производится изменением полярности напряжения между анодом и катодом. Двухоперационные тиристоры переключаются из открытого состояния в закрытое и из закрытого в открытое подачей импульсов напряжения различной полярности на управляющий электрод.

Рис. 1. Условные обозначения тиристоров:

а  диодный, запираемый обратным током; б  диодный, проводящий в обратном направлении; в  диодный симметричный; г, д  триодные, запираемые обратным током с управлением по аноду и катоду; е, ж  триодные, проводящие в обратном направлении с управлением по аноду и катоду; з  триодные симметричные; и, к  триодные, проводящие в обратном направлении, двухоперационные; л  тетродные, запираемые обратным током

Условные обозначения тиристоров приведены на рисунке 1.

1.1. Диодные тиристоры

Простейшие диодные тиристоры, запираемые в обратным током, обычно изготавливают из кремния и содержат три p-n-перехода (рис. 2). Область p₁ называют анодом; n₂  катодом; n₁, p₂ - базами тиристора. Концентрация примеси в базовых областях значительно меньше, чем в катоде или аноде.

Рис. 2. Структура динистора

Если на динистор подать положительное напряжение u_ак, то переходы П₁ и П₃ (эмиттерные) будут смещены в прямом направлении (из них в области баз инжектируются основные носители заряда – электроны из катода и дырки из анода), а переход П₂ (коллекторный) окажется смещенным в обратном направлении. Поэтому до определенного значения напряжения u_ак почти все оно оказывается приложенным именно к коллекторному переходу П₂. Дырки, инжектированные из области p₁, и электроны, инжектированные из области n₂, движутся через переход П₂ в противоположных направлениях, создавая общий анодный ток i_а. При этом к переходам П₁ и П₃, имеющим небольшое сопротивление, приложена малая разность потенциалов, а инжекция носителей заряда в них невелика. В этом случае ток i_а мал и равен обратному току через переход П₂, то есть I_к0.

При увеличении напряжения u_ак ток в цепи сначала меняется незначительно, что соответствует участку 1 на вольт-амперной характеристике (ВАХ) динистора (рис. 3). Однако при дальнейшем возрастании напряжения, по мере увеличении ширины перехода П₂, все большую роль начинают играть носители заряда, образовавшиеся в результате ударной ионизации. При определенном значении u_ак они ускоряются настолько, что при столкновении с атомами в области p-n-перехода ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика динистора

Образовавшиеся при этом дырки под влиянием электрического поля переходят в область p₂, а электроны  в область n₁. Ток через переход П₂ увеличивается, а его сопротивление и, соответственно, падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам П₁ и П₃, и увеличению инжекции носителей заряда через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и увеличение токов инжекции. Процесс протекает лавинообразно, приводя к резкому падению сопротивления перехода П₂.

Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем u_ак становится незначительным. На вольт-амперной характеристике (рис. 3) этому процессу соответствует участок 2 с отрицательным дифференциальным сопротивлением. После переключения динистора его ВАХ аналогична прямой ветви характеристики диода (участок 3 на рисунке 3).

Смена полярности напряжения u_ак вызывает смещение коллекторного перехода П₂ в прямом направлении, а эмиттерных переходов П₁ и П₃ – в обратном. Поэтому приложенное обратное напряжение распределяется в основном по переходам П₁ и П₃. Однако при изготовлении тиристора переход П₃ делают значительно тоньше перехода П₁, поэтому при росте обратного напряжения u_ак переход П₃ входит в режим электрического пробоя раньше перехода П₁. Обратное напряжение оказывается приложенным в основном к переходу П₁, поэтому обратная ветвь вольт-амперной характеристики динистора аналогична обратной ветви ВАХ диода. Для каждого динистора существует максимально допустимое обратное напряжение U_{обр. макс}, превышение которого приводит к тепловому пробою и выходу прибора из строя. Величина U_{обр. макс} составляет обычно 1002000 В в зависимости от типа прибора.

Рис. 4. Представление динистора в виде соединения двух транзисторов

Рассмотрим подробнее закрытое состояние тиристора, представив его в виде двух соединенных между собой транзисторов VT1 и VT2 разной проводимости (рис. 4). Коллекторные токи каждого из транзисторов в активном режиме могут быть описаны с помощью линейной модели схемы с общей базой без учета r_к:

.

(1)

В этих выражениях обратные токи коллекторов транзисторов VT1 и VT2 с коэффициентами передачи тока базы ₁ и ₂ полагаются равными I_к01 и I_к02. Из выражений (1) и очевидного соотношения i_а = i_к = i_к1 + i_к2 легко получить формулу для анодного тока динистора:

,

(2)

где  = ₁ + ₂ – суммарный статический коэффициент передачи тока динисторной структуры, а I_к0 = I_к01 + I_к02 – полный обратный ток динистора. Отсюда

.

(3)

Рис. 5. Зависимости коэффициентов передачи ₁ и ₂ от тока эмиттера

Мы получили выражение, описывающее ВАХ динистора в закрытом состоянии. Следует учитывать, что статические коэффициенты передачи тока эмиттера ₁ и ₂ растут с увеличением тока эмиттера, хотя каждый из них не превосходит единицы (рис. 5). Однако их сумма  = ₁ + ₂ при некотором токе I_а2 может превысить единицу. При достижении суммарного статического коэффициента передачи тока  значения, равного единице, анодный ток устремляется в бесконечность, что соответствует переключению тиристора из закрытого в открытое состояние.

Рис. 6. Зависимость суммарных коэффициентов передачи  и ^* от тока эмиттера

Рассмотрим условие переключения тиристора, переписав выражение (3) в виде

и дифференцируя его по току i_а:

.

(4)

Введенные здесь величины

называются дифференциальными коэффициентами передачи тока эмиттера и, очевидно, превышают статические коэффициенты ₁ и ₂ . Поэтому суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока динистора достигает единицы при меньшем значении анодного тока I_а1, чем статический коэффициент , как это показано на рис. 6.

Из выражения (4) видно, что пока ^* < 1, производная dI_к0/di_а положительна, то есть обратный ток I_к0 перехода П₂ возрастает с ростом анодного тока i_а. Однако рост I_к0 возможен только за счет роста обратного напряжения на переходе П₂, а значит – и на всем динисторе, поскольку в закрытом состоянии практически все напряжение u_ак приложено именно к коллекторному переходу П₂. Это соответствует закрытому состоянию динистора (участок 1 на рисунке 3), когда прямой ток мал (порядка I_к0) и увеличивается с ростом напряжения, то есть дифференциальное сопротивление динистора r_д = du_ак/di_а положительно.

При некотором напряжении u_ак = U_вкл (напряжении включения), при котором ^* = 1, ток I_к0 достигает максимального значения, что соответствует максимальному напряжению на тиристоре. Дальнейший рост тока приводит к увеличению ^* > 1, что, согласно выражению (4), означает dI_к0/di_а < 0. Таким образом, обратный ток коллекторного перехода I_к0 уменьшается с ростом анодного тока i_а, что возможно только при уменьшении напряжения на переходе П₂, а значит – и напряжения u_ак. Это состояние динистора соответствует области ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением r_д < 0 (участок 2 на рисунке 3).

Уменьшение I_к0 с ростом анодного тока i_а происходит до тех пор, пока значение суммарного статического коэффициента передачи тока  не достигнет значения, равного единице. В этот момент напряжение на коллекторном переходе уменьшается до нуля, а напряжение на тиристоре составляет u_ак  2u_д, где u_д – падение напряжения на открытом p-n-переходе. Значение тока через тиристор, соответствующее этой точке, равно току удержания I_уд. При дальнейшем увеличении анодного тока тиристор переходит в открытое состояние (участок 3 на рисунке 3), а выражения (1) – (4) теряют смысл и не могут применяться для описания тиристора. В это время ток через тиристор ограничен нагрузочным сопротивлением, а все три его p-n-перехода смещены в прямом направлении, причем прямое падение напряжения на переходах П₁ и П₃ частично компенсируется прямым падением напряжения на переходе П₂, которое противоположно им по знаку.

Рис. 7. Структура динистора

с зашунтированным переходом

Коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице уже при малых значениях напряжений и токов. Для уменьшения начального значения коэффициента передачи одну из базовых областей тиристора всегда делают относительно толстой (порядка 200 мкм). Для уменьшения другого коэффициента передачи переход П₃ шунтируют объемным сопротивлением базы, для чего катод частично наносится и на базовую область (рис. 7). Это обеспечивает малые значения ₂ при малых напряжениях на тиристоре, поскольку практически весь ток проходит через область p₂, минуя переход П₃, обладающий относительно большим сопротивлением при малых напряжениях. При повышении напряжения сопротивление этого перехода падает и практически весь ток течет через него. Шунтирование позволяет, во-первых, создавать динисторы с большими значениями напряжения включения U_вкл, во-вторых, увеличивает стабильность этого напряжения, поскольку зависимость коэффициента передачи тока эмиттера от тока получается более резкой. Говорят, что такие динисторы обладают жесткой характеристикой переключения, в отличие от динисторов с незашунтированным эмиттерным переходом. Характеристики последних называют мягкими. У динистора с мягкой характеристикой напряжение включения нестабильно и может изменяться в достаточно широких пределах.