Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство и физические процессы в полевых транзисторах.

2. Привести и объяснить ВАХ полевого транзистора с каналом проводимости р - типа.

3. Привести классификацию и основные достоинства полевых транзисторов.

4. Почему полевые транзисторы называют униполярными?

5. Назовите основные достоинства полевых транзисторов.

Лабораторная работа №6 тиристор

Цель работы: изучение устройства, принципа действия, основных характеристик и параметров тиристоров.

Теоретическая часть

Тиристором называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более р-n - переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При его включении в сеть переменного тока он открывается и пропускает ток лишь тогда, когда мгновенное значение напряжения достигает определенного уровня, либо при подаче напряжения включения на управляющий электрод.

Классификация и условное обозначение тиристоров приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Класс тиристоров	Тип тиристоров	Условное обозначение
Диодные (динисторы)	Несимметричные
	Симметричные
Триодные (тринисторы)	Несимметричные
	Симметричные

Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительный третий управляющий электрод.

Диодный и триодный тиристоры имеют четырехслойную р-п-р-п структуру с тремя р-п - переходами П1, П2, ПЗ (рис. 1). Крайние слои p₁, n₂ к которым подведены металлические контакты А и К, называемые анодом и катодом. Четырехслойная структура тиристора представляет собой сочетание двух транзисторов в одном приборе: комбинация слоев p₁-n₁-p₂ -один транзистор, а комбинация слоев n₁-p₂-n₂ - другой. Поэтому р-n - переходы П1 и П3 называют эмиттерными переходами, переход П2 - коллекторным, средние слои n₁ и р₂ называют базовыми областями, а крайние p₁ и n₂ - эмиттерными областями. В триодном тиристоре база р₂ имеет металлический контакт, называемый управляющим электродом (УЭ). Он включен к внешнему источнику управляющего напряжения Е_у.

П

U_А

+ ‑

ри подаче на тиристор напряжения U_пр, указанной на рис. 1 полярности (прямое включение тиристора), эмиттерные р-n - переходы П1 и ПЗ открыты, так как включены (смещены) в прямом направлении, а коллекторный р-n - переход П2 закрыт, так как он включен (смещен) в обратном направлении. Сопротивления открытых переходов незначительно, поэтому все напряжение U_пр приложено к закрытому коллекторному переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Ток тиристора в этом случае мал, так как он равен обратному току перехода П2 (рис. 2, участок 1). Тиристор выключен.

Рис. 1. Структура триодного тиристора:

А – анод; К – катод; П1 и П3- эмиттерные переходы; П2 - коллекторный переход; n₁ и p₂- базовые области; p₁ и n₂ - эмиттерные области.

При повышении напряжения на тиристоре U_np ток тиристора I_np увеличивается, так как увеличивается электропроводность (проводимость) р-n - переходов П1 и П3 за счет снижения высоты потенциального барьера и уменьшения ширины обедненной носителями зарядов области этих переходов. При этом снижение высоты потенциального барьера перехода П3 приводит к инжекции электронов из эмиттера n₂ в базу p₂ часть из которых, избежав рекомбинации, достигает коллекторного перехода П2, включенного в обратном направлении, и перебрасывается его электрическим полем (области пространственного заряда) в базу n₁. Рост концентрации электронов в базе n₁ приводит к повышению электрического поля в прямом направлении и снижению высоты потенциального барьера перехода П1, так как часть электронов приближаясь к переходу П1 рекомбинирует с неподвижными положительными ионами. В результате этого увеличивается инжекция дырок из эмиттера p₁ в базу n₁. Часть дырок, избежав рекомбинации и продиффундировав по базе n₁, достигает коллекторного перехода П2 и перебрасывается его электрическим полем в базу р₂. Это приводит к повышению концентрации дырок в базе р₂ образованию положительного заряда, увеличению электрического поля перехода ПЗ в прямом направлении и снижению высоты потенциального барьера этого р-n - перехода. В результате чего увеличивается инжекция электронов из эмиттера n₂ и т.д. Таким образом, в тиристоре начинает действовать положительная обратная связь по току.

Когда внешнее напряжение U_np станет равным некоторому критическому значению, равному напряжению включения U_вкл положительная внутренняя связь вызовет лавинообразный процесс инжекции основных носителей заряда из эмиттерных областей в базовые. Так как чем больше прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П2, тем больше носителей зарядов подходит к коллекторному переходу ПЗ и тем больше становится ток неосновных носителей заряда в этом р-n - переходе. Напряжение на коллекторном переходе ПЗ наоборот становится меньше, так как при большом токе уменьшается его сопротивление и переход открывается (переходит в режим насыщения). Падение напряжения на тиристоре становится малым (0,5 - 1,0 В), близким к напряжению на открытом р-n - переходе. Это означает, что прямая ветвь ВАХ тиристора имеет участок отрицательного сопротивления (участок 2 на рис. 2) на котором рост тока обусловлен уменьшением напряжения.

При подаче на тиристор напряжения U_вкл происходит включение тиристора, при котором его сопротивление резко падает, а ток в цепи определяется только нагрузочным сопротивлением R_н и напряжением питания U_np.

Рабочим участком ВАХ тиристора является участок 3 (рис. 2) с малым сопротивлением.

Для выключения тиристора необходимо уменьшить, протекающий через него ток до определенного значения, называемого током выключения I_выкл или подать на тиристор напряжение обратной полярности. При этом ток резко уменьшится, а напряжение повысится (восстанавливается высокое сопротивление перехода).

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора.

Напряжение включения тиристора можно уменьшить, если в цепь какой-либо из баз (обычно p₂ на рис. 1) примыкающих к р-n - переходу П2, ввести от внешнего источника дополнительное число носителей заряда за счет тока управления I_y. Для этого с помощью управляющего электрода на базу p₂ подается положительный потенциал от внешнего источника. Ток управления, входя в базу, вводит в нее дырки (фактически этому соответствует уход электронов из базы p₂ в цепь управления), а уходящий из катода ток управления I_y фактически вводит в эмиттер n₂ электроны в таком же количестве. Это приводит, как было рассмотрено выше, к увеличению электрического поля перехода ПЗ, смещенного в прямом направлении, и увеличению инжекции электронов из эмиттера n₂ в базу p₂. Часть этих электронов, избежав рекомбинации, достигает коллекторного перехода П2 и перебрасывается его полем в базу n₁ и т.д. Таким образом, регулируя значение тока цепи управления, можно изменить напряжение включения тиристора при котором возникает лавинообразный процесс размножения носителей заряда.

Снижение напряжения включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис. 2. Из этого рисунка видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П1 и П2. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше U_{обр. max}.

В отличие от рассмотренных несимметричных тиристоров в симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь ВАХ совпадает с прямой ветвью. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя р-n -переходами.

Промышленностью выпускаются тиристоры на токи 1 - 8000 А и напряжение включения 25 - 4000 В. Тиристоры применяют в управляемых выпрямителях и инверторах.

Основными статическими параметрами тиристора, определяемыми из его ВАХ являются:

- максимально допустимый постоянный ток I_{пр тах} в открытом состоянии тиристора, при котором прибор может работать длительное время;

- напряжение в открытом состоянии тиристора U_пр - напряжение при определенном токе, например I_{пр max} в открытом состоянии тиристора;

- максимально допустимое постоянное прямое напряжение U_{пр тах} при котором тиристор находится в закрытом состоянии при определенном режиме в цепи управляющего электрода;

- ток и напряжение включения I_вкл, U_вкл - ток и напряжение в точке включения тиристора;

- удерживающий ток тиристора I_уд - минимальный прямой ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии при определенном режиме в цепи управляющего электрода.

Цепь управления тиристора характеризуется постоянным (импульсным) отпирающим током I_у управляющего электрода тиристора, представляющим собой минимальное значение постоянного (импульсного) тока, которое обеспечивает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое при определенных режимах в цепях основных и управляющего электродов, а также соответствующие этому току постоянное (импульсное) отпирающее напряжение U_y. Импульсы управления выбирают короткими с крутыми фронтами, так как при этом снижаются времена включения (t_вкл) и выключения (t_выкл) тиристора, которые являются его важными динамическими параметрами. Однако длительность импульса управления должна быть больше времени включения тиристора. Минимальная длительность импульса обычно составляет 15-20 мкс.