Глава 12. Тиристоры
12.1. Классификация тиристоров
Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более переходов, ВАХ которых обладают участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Тиристоры классифицируют по количеству электродов и способу управления.
Двухэлектродные тиристоры называют динисторами или неуправляемыми тиристорами. Трехэлектродные – тринисторами или управляемыми тиристорами. На рис. 11.1 приведены примеры некоторых возможных структур тиристоров и их графические обозначения.
а) |
б) |
в) |
г) д) е)
Рис. 12.1. Условные обозначения динистора (а), управляемого тиристора (б), схема включения управляемого тиристора (в) и внешний вид (г–е)
(А − анод, К − катод, У − управляющий электрод)
Функционально тиристоры являются электронными ключевыми элементами, сопротивление которых при определенном пороговом напряжении на них изменяется с высокого (выключенное состояние) на низкое (включенное состояние). Нагрузку включают последовательно с тиристором (рис. 12.1). Если тиристор заперт, его сопротивление будет
больше сопротивления нагрузки и на последней окажется ничтожное напряжение. Если же тиристор открыт, его сопротивление мало и на нагрузке
209
будет выделяться почти полное напряжение источника питания. Динистор имеет постоянное пороговое напряжение срабатывания, порог открывания управляемого тиристора может изменяться током управляющего электрода.
Физически тиристор состоит из четырех полупроводниковых областей, образующих три последовательных n-р перехода: П1, П2, П3. При приложении к тиристору прямого напряжения питания (плюс на p1, минус на n2) переходы П1 и П3 оказываются смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном направлении (рис. 12.2), т.е. крайние переходы
работают в качестве эмиттера и инжектируют неосновные носители во внутренние базовые области четырехслойной структуры, а средний переход работает в качестве коллектора и собирает неосновные носители, инжектируемые крайними переходами.
12.2. Распределение токов в тиристоре
Рассмотрим механизм протекания тока через динистор, включенный в прямом направлении (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Составляющие токов в структуре тиристора
Можно выделить следующие составляющие полного тока:
∙через эмиттерный переход П1 будет протекать ток инжекции, равный сумме дырочного и электронного токов:
I1=I1p+ I1n, |
(12.1) |
∙ через эмиттерный переход П3 будет также протекать ток инжекции:
I2 = I2p + I1n, |
(12.2) |
∙через коллекторный переход П2 протекают во-первых, ток экстракции: дырочный I3p = α1I1 и электронный I3n = α2I2, а также начальный коллекторный ток Iк0:
I3 = α1 I1 + α2 I 2 + I к0 . |
(12.3) |
Очевидно, что токи, протекающие через все три перехода, должны быть одинаковы, т.е. I1 = I2= I3 = I, и тогда полный ток через динистор будет равен:
210
I = (α1 + α2 )I + Iк0 = |
Iк0 |
|
1 − (α1 + α2 ). |
(12.4) |
Эквивалентная схема тиристора может быть представлена с помощью двух транзисторов, имеющих общий коллекторный переход П2 (рис. 12.3). Тогда крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 будут эмиттерными для транзистора р-n-p типа (Т1) и n-р-n типа (Т2) соответственно, а внутренние области структуры, примыкающие к среднему переходу, – базами. Транзисторы включены таким образом, что базовый вывод одного связан с коллекторным выводом другого, и наоборот, т.е. транзисторы охвачены положительной обратной связью. Резисторы r1 и r2, шунтирующие эмиттерные переходы транзисторов, учитывают зависимость коэффициентов передачи тока транзисторов от тока базы.
а) б)
Рис. 12.3. Структурная (а) и эквивалентная электрическая (б) схема
замещения диодного тиристора
Рассмотрим коротко механизм включения тиристора с помощью управляющего тока на примере эквивалентной схемы (рис. 12.3, б). Базовый ток транзистора Т1 вызывает инжекцию носителей заряда через эмиттерный переход этого транзистора и увеличение коллекторного тока Iк2 этого транзистора, который в свою очередь является одновременно базовым током транзистора Т2. Этот базовый ток обусловливает инжекцию носителей заряда через эмиттерный переход транзистора Т2, в результате возрастает коллекторный ток Iк1. Ток Iк1 в сумме с током управления образуют ток базы транзистора Т1, т.е. ток Iк1 увеличивает ток управления или, другими словами, является током внутренней положительной обратной связи (ПОС).
211
Рис. 12.4. Схематичное представление вольтамперной характеристики
динистора
На ВАХ динистора и тринистора (рис. 12.4) можно выделить следующие пять характерных участков:
1− участок большого дифференциального сопротивления,
2− участок лавинного пробоя,
3− участок отрицательного дифференциального сопротивления,
4− участок малого дифференциального сопротивления,
5− обратная ветвь характеристики.
Первый участок характеристики имеет высокое дифференциальное сопротивление. При небольших внешних напряжениях U величина прямого напряжения на эмиттерных переходах П1 и П3 весьма мала, вследствие чего
высота энергетического барьера в этих переходах близка к определяемой контактной разностью потенциалов. Поэтому токи I1 и I2, инжектированные через эмиттерные переходы, вначале очень малы − порядка долей микроампер. Установлено, что в случае кремниевых приборов малым
эмиттерным токам порядка долей микроампера соответствуют и малые (порядка сотых долей) значения коэффициентов передачи тока α1 и α2.
Зависимость коэффициента α от тока эмиттера можно объяснить влиянием рекомбинационных ловушек в базе, эффективных при малых токах эмиттера.
С увеличением тока эмиттера ловушки насыщаются и становятся малоактивными, что приводит к увеличению времени жизни инжектированных носителей и, следовательно, к увеличению коэффициента α. Таким образом, на участке 1 характеристики ток через тиристор в основном определяется начальным коллекторным током Iк0 коллекторного перехода.
При увеличении напряжения до величины, близкой к напряжению включения Uвкл в коллекторном переходе начинается процесс умножения числа носителей в результате ударной ионизации, что увеличивает поток основных носителей, поступающих в обе базы (электронный ток в базу Б2, дырочный — в базу Б1). Дальнейшему переходу носителей препятствуют небольшие потенциальные барьеры эмиттерных переходов. Если скорость
212
накопления носителей превышает скорость их удаления, в базах образуется пространственный заряд (отрицательный в n-базе Б1 и положительный в р- базе Б2). В результате снижается высота энергетического барьера в обоих эмиттерных переходах, и эмиттерные токи через переходы увеличиваются. Эмиттерные токи, в свою очередь, проходя через коллекторный переход, усиливают в нем ударную ионизацию, а, следовательно, и ток через динистор. В результате в тиристоре возникает обратная связь по току.
Вследствие умножения число носителей заряда нарастает лавинообразно. На участке 2 ВАХ дифференциальное сопротивление в начале падает до долей ома и далее до нуля: dU/dI = 0. Напряжение на переходах перераспределяется: на эмиттерных переходах П1 и П3 несколько повышается, а на коллекторном П2 уменьшается практически до нуля. В результате эмиттерные токи вновь возрастают, а сумма коэффициентов (α1 + α2) увеличивается до единицы. Характеристика переходит на участок 3, где дифференциальное сопротивление динистора становится вновь большим, но отрицательным: dU/dI < 0. При этом прекращается лавинное умножение числа носителей в коллекторном переходе, так как энергетический барьер в коллекторном переходе П2 исчезает. Вследствие продолжающегося
накопления носителей в обеих базовых областях на коллекторном переходе устанавливается прямое смещение, и все три перехода оказываются под прямым смещением.
Рассмотренный выше процесс протекает почти мгновенно, и динистор быстро переключается из запертого состояния (участок 1) в открытое (участок 4). Его дифференциальное сопротивление вновь становится низким (не превышает единиц Ом) и положительным. На участке 4 зависимость тока от напряжения U такая же, как на прямой ветви обычного диода. При этом падение напряжения на динисторе составляет менее 1–2 В. Остальное напряжение источника питания падает на сопротивление во внешней цепи.
Чтобы обратно перевести динистор из открытого состояния в запертое, необходимо уменьшить его ток до значения I < Iвыкл. Для этого необходимо
увеличить сопротивление во внешней цепи или временно разорвать электрическую цепь. При этом процесс развивается в обратном направлении и сопротивление динистора вновь становится высоким (участок 1). Такой тип выключения называется выключением по анодной цепи.
Смена полярности приложенного напряжения также приводит к закрыванию тиристора, например, при питании тиристора переменным напряжением это происходит автоматически. В этом случае эмиттерные переходы П1 и П3 окажутся под обратным напряжением, и ток в основном будет определяться обратным током через тот из них, обратное сопротивление которого больше. Этот режим соответствует участку 5 на ВАХ тиристора.
Итак, появление отрицательного дифференциального сопротивления на
ВАХ динистора обязано наличию внутренней положительной обратной связи по току, действие которой начинается при нарушении электронейтральности одной из баз. Условие переключения тиристора следует из выражения (12.4),
213
если принять за начало переключения момент начала нарастания тока за счет положительной обратной связи, когда ток тиристора стремится к бесконечности:
(αp + αn) → 1 |
(12.5) |
Моменту включения тиристора будут соответствовать значения некоторого порогового тока и напряжения: Iвкл, Uвкл (рис. 12.4). Изменяя характер зависимости αp(I) или αn(I), возможно изменять значения тока и напряжения, при которых происходит переход тиристора в состояние с малым сопротивлением.
Чтобы увеличить напряжение включения, часто искусственно занижают значение коэффициента передачи тока. Для этого можно использовать различные технологические приемы, например, такие как уменьшение времени жизни носителей заряда в базе, увеличение толщины базы или шунтирование эмиттерного перехода (рис. 12.5, а). Для технологического
шунтирования эмиттерного перехода на этапе изготовления тиристоров базовый слой на отдельных участках соединяется с внешней металлизацией (рис. 12.5, б). Общая площадь таких участков и определяет сопротивление шунта.
а) б)
Рис. 12.5. Тиристор с шунтирующим резистором (а) и схема технологического шунтирования катодного перехода (б)
При малых токах сопротивление эмиттерного перехода существенно выше сопротивления шунта и основная доля тока протекает через шунт. Эмиттер практически не инжектирует носителей. Только при увеличении тока до некоторого значения, когда из-за накопления носителей в базе эмиттерный переход частично открывается, коэффициент передачи тока этого эмиттера становится больше нуля.
Недостатком динистора является большая зависимость его параметров от температуры, что обусловливает температурную нестабильность переключения. Кроме того, в отдельных случаях напряжение включения по условиям применения может оказаться слишком большим.
214