6. Тиристоры и однопереходный транзистор

Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова τχιρα (тира), означающего «дверь», «вход».

6.1. Диодный тиристор

Структура диодного неуправляемого тиристора (динистора) п—р—п—р показана на рис. 6.1,а. Как видно, он имеет три р-п-перехода, причем два из них (П₁ и П₃) работают в прямом направлении, а средний переход П₂ — в обратном направ­лении. Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область п—катодом.

Тиристор можно представить в виде модели, состоящей из двух транзисторов VT₁ и VТ₂ типа п—р—п и p—n—р, соединенных так, как показано на рис. 6.1,в. Переходы П₁ и П₃ являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П₂ работает в обоих тран­зисторах в качестве коллекторного перехода. Область базы Б₁ транзистора VT₁ одновременно является коллекторной областью К₂ транзистора VТ₂, а область базы Б₂ транзистора VТ₂ одновременно служит коллекторной областью К₁ тран­зистора VT₁.

Рис.6.1. Схема включения (а), структура диодного тиристора (б) и его модель в виде двух транзисторов (в)

Тиристоры изготавливают из крем­ния, причем эмиттерные переходы могут быть сплавными, а коллекторный переход изготов­ляют методом диффузии. Применяется также планарная технология. Концентрация примеси в базовых (средних) областях значительно меньше, нежели в эмиттерных (крайних) областях.

Через переходы П₁ и П₃, рабо­тающие в прямом направлении, в области, примыкающие к переходу П₂, инжек­тируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, представленная на рис. 6.2, пока­зывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного к нему напря­жения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА характеристики. В этом режиме тиристор можно считать закрытым. На сопротивление коллекторного перехода П₂ влияют два взаимно противопо­ложных процесса. С одной стороны, повышение обратного напряжения на этом переходе увеличивает его сопротивление, так как под влиянием обратного напряжения основные носители уходят в разные стороны от границы, т. е. пере­ход П₂ все больше обедняется основными носителями. Но, с другой стороны, повышение прямых напряжений на эмиттерных переходах П₁ и П₃ усиливает инжекцию неосновных носителей, которые подходят к переходу П₂, умень­шают его сопротивление. До точки А перевес имеет первый процесс и сопро­тивление растет, но все медленнее и медленнее, так как постепенно усиливается второй процесс.

Рис.6.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Около точки А при некотором напряжении (десятки или сотни вольт), называемом напряжением переключения U_ПЕР, влияние обоих процессов уравновешивается, а затем даже ничтожно малое повышение подводимого напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П₂ начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора.

Ток резко, скачком, возрастает (участок АБ на характеристике), так как увеличение напряжения на П₁ и П₃ уменьшает сопротивление П₂ и напряжение на нем. В результате такого процесса устанавливается режим, напо­минающий режим насыщения транзистора — большой ток при малом напряжении (участок БВ). Ток в этом режиме, когда динистор открыт, определяется главным образом сопротивлением нагрузки R_А включенной последовательно с прибором. За счет возникшего большого тока почти все напряжение источника анодного питания падает на нагрузке R_А.

Полное напряжение на тири­сторе складывается из трех небольших прямых напряжений на переходах и четы­рех также небольших падений напряжения в n- и р-областях. Так как каждое из этих напряжений составляет доли вольта, то общее напряжение на открытом тиристоре обычно не превышает нескольких вольт, и, следовательно, динистор в этом состоянии имеет малое сопротивление.

Из рассмотре­ния эквивалентной схемы на рис. 6.1,в видно, что анодный ток тиристора I_A является током первого эмиттера I_Э1 или током второго эмиттера I_Э2. Иначе ток I_A можно рассматривать как сумму двух коллекторных токов I_Kl и I_К2, равных соответ­ственно α₁I_Э1 и α₂I_Э2, где α₁ и α₂ — коэффициенты передачи эмиттерных токов транзисторов VТ₁ и VТ₂. Кроме того, в состав тока I_A входит еще обратный ток коллекторного перехода i_К0. Таким образом, можно написать I_А = α₁I_Э1 + α₂I_Э2 + i_К0 или учитывая, что I_Э1 = I_Э2 = I_A:

I = α₁I + α₂I + i_К0 . (6.1)

Решая это уравнение относительно I_A, находим:

(6.2)

При малых токах α₁ и α₂ значи­тельно меньше единицы и сумма их также меньше единицы. Тогда в соответ­ствии с формулой (6.2) ток I_A получается сравнительно небольшим. С увели­чением тока α₁ и α₂ растут, и это приводит к возрастанию тока I_A. При неко­тором токе, являющемся током включения I_ВКЛ, сумма (α₁ + α₂) = 1 и ток I_A возрос бы до бесконечности, если бы его не ограничивало сопротивление нагрузки R_A.

Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока I_max (точка В на рис. 6.2), при котором на приборе будет неболь­шое остаточное напряжение U_ОСТ. Если же уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом током удержания I_УД (точка Б), ток резко умень­шается, а напряжение резко повышается, т. е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние, соответствующее участку характеристики О А. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов, поскольку переходы П₁ и П₂ будут под обратным на­пряжением.

Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выклю­чения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах.