Тиристорами называют переключательные полупроводниковые компоненты, имеющие четыре и более слоя и три и более чередующихся электронно-дырочных перехода. В качестве полупроводника обычно применяют кремний. К группе тиристоров относят динисторы, тринисторы, запираемые тиристоры, симисторы. У всех тиристоров на вольтамперной характеристике присутствует участок отрицательного дифференциального сопротивления. Тиристоры в основном производят по технологии диффузии.
Амплитуда максимального тока некоторых тиристоров может достигать десятков тысяч ампер, а напряжение анод-катод – нескольких киловольт. После включения между выводами анод-катод тиристоров присутствует остаточное напряжение величиной обычно от 1,2 В до 2,5 В.
Динистором, или, по-другому, диодным тиристором, называют переключательный компонент с двумя выводами, который переходит в открытое состояние при превышении определённого напряжения, которое прикладывают между его выводами. Динисторы содержат три электронно-дырочных перехода. Схематичное изображение структуры динистора дано на рис. 7.1.
Вывод от внешней зоны n2 называют катодом, а от зоны p1 – анодом. Зоны n1 и p2 носят название баз динистора. Переход между зонами p1, n1 и p2, n2 именуют эмиттерным, а между зонами n1 и p2 – коллекторным переходом.
Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое отрицательное напряжение, а к катоду положительное напряжение, то центральный коллекторный переход будет открыт, а крайние эмиттерные переходы станут закрыты. Зоны n1 и p2 не могут преодолеть, поступающие из анода и катода основные носители зарядов, а, следовательно, они не достигнут базы динистора. В результате через динистор течёт небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, и динистор закрыт. Если к аноду динистора приложим очень большое отрицательное напряжение, а к катоду – высокое положительное напряжение, то произойдёт лавинный пробой, что видно на вольтамперной характеристике динистора, показанной на рис. 7.2.
I – участок открытого состояния динистора, на котором его проводимость высока;
II – участок отрицательного сопротивления;
III – участок пробоя коллекторного перехода;
IV – участок в прямом включении, на котором динистор заперт, и приложенное к его выводам напряжение меньше, чем необходимо для возникновения пробоя;
V – участок обратного включения динистора;
VI – участок лавинного пробоя.
Если от источника питания к аноду динистора приложим небольшое положительное напряжение, а к катоду незначительное отрицательное напряжение, то коллекторный переход будет закрыт, а эмиттерные переходы станут открыты. Носители зарядов поступают из области катода n2 в зону p2 (электроны), а из области анода p1 в зону n1 (дырки). В указанных зонах баз носители заряда уже станут неосновными, и в результате в этих зонах возникает рекомбинация носителей зарядов, и из-за неё концентрации свободных носителей зарядов станут меньше. Поле коллекторного перехода будет ускоряющим для ставших неосновными носителей заряда, которые ввиду инжекции его преодолевают и оказываются в зонах, где они вновь будут основными. В областях p1 и n2 эти носители зарядов снова станут неосновными и вновь рекомбинируют. По причине рекомбинаций носителей зарядов проводимость динистора на участке IV мала и протекающий через него обратный ток также мал.
Если начать увеличивать постоянное напряжение, прикладываемое к динистору в прямом включении, то возрастает ширина коллекторного перехода и скорость носителей заряда, и становятся меньше интенсивности рекомбинаций, а прямой ток через динистор медленно возрастает. Чем больше будет прямое напряжение, тем интенсивнее станет ударная ионизация, порождающая новые носители заряда, что при определённом напряжении включения приведёт к лавинному пробою коллекторного перехода. Пробой сопровождает резкое увеличение проводимости динистора в прямом включении. Динистор открывается, и на нём будет падать небольшое остаточное напряжение.
Динисторы применяют в регуляторах и переключателях, чувствительных к изменениям напряжений.
Тринистором, или, иначе, триодным тиристором, называют переключательный компонент с тремя электронно-дырочными переходами, и тремя выводами – анодом, катодом и управляющим электродом. Тринисторы обладают аналогичной динисторам структурой, а отличие состоит в наличии управляющего электрода – дополнительного вывода, подключённого к одной из баз. Если через управляющий электрод тринистора пропустить отпирающий ток, то тринистор перейдёт в открытое состояние. В зависимости от того, к какой именно из баз будет подсоединён управляющий электрод, можно организовать включение тринистора при приложении отпирающего напряжения между управляющим электродом и либо анодом, либо катодом. Вольтамперная характеристика тринистора похожа на вольтамперную характеристику динистора. Однако отпирание тринистора обычно происходит при существенно более низком прямом напряжении, чем необходимо динистору, и к открыванию тринисторной структуры приводит протекание тока через управляющий электрод. Чем больше ток управляющего электрода, тем при более низком прямом напряжении тринистор перейдёт в открытое состояние, что отражено на вольтамперной характеристике тринистора, изображённой на рис. 7.3.
На рисунке обозначено:
I – участок, на котором тринистор открыт;
II – участки отрицательного сопротивления и пробоя коллекторного перехода;
III – участок запертого состояния тринистора в прямом включении;
IV – участок обратного включения динистора.
Когда через управляющий электрод протекает отпирающий ток, возрастает скорость носителей заряда, которые инжектируются через коллекторный переход, что инициирует принудительное отпирание тринистора. После включения незапираемый тринистор не реагирует на изменение силы тока управляющего электрода. Чтобы закрыть тринистор, необходимо уменьшить силу тока, протекающего по аноду и катоду, ниже тока удержания, либо поменять полярность напряжения, приложенного между анодом и катодом. Если управляющий электрод тринистора обесточен, то тринистор функционирует совершенно так же, как динистор. В незапираемых тринисторах управляющий электрод занимает небольшой участок кристалла полупроводника, ориентировочно в несколько процентов.
Тринисторы широко применяют в регуляторах мощности, контакторах, ключевых преобразователях и инверторах и пр. Некоторое ограничение на внедрение тринисторов накладывает их частичная управляемость.
Запираемые тиристоры, в отличие от тринисторов, которые были рассмотрены ранее, – это полностью управляемые компоненты, и под воздействием тока управляющего электрода они могут переходить из закрытого состояния в открытое состояние, и наоборот. Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности, чем полярность, вызывавшая отпирание компонента. Для закрывания изначально открытого запираемого тиристора необходимо уменьшить сумму коэффициентов передачи эмиттерных токов ниже единицы и обеднить базы носителями зарядов, для чего управляющий электрод должен быть распределён по полупроводниковому кристаллу. Для этого управляющий электрод запираемого тиристора, как и катод, выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. Важным параметром рассматриваемых тиристоров выступает коэффициент запирания, который равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода.
Запираемые тиристоры обычно используют в преобразовательной технике в качестве электронных ключей.
Симисторы, в отличие от обычных тиристоров, проводят ток анод-катод при протекании тока по управляющему электроду, как в прямом направлении, так и в обратном. В результате этого их вольтамперная характеристика симметрична, что отражено на рис. 7.4.
Таким образом, на вольтамперной характеристике каждого симистора присутствуют два участка отрицательного дифференциального сопротивления.
Структура симистора содержит пять слоёв, что отражено на рис. 7.5.
К управляющему электроду, который отведён от зоны n3, подсоединим вывод отрицательного напряжения, полученного от источника питания, относительно вывода от зон p2, n4, в результате чего электроны из зоны n3 инжектируют в зону p2. Кроме того, приложим напряжение от источника питания положительным полюсом к зонам p1, n1, а отрицательным полюсом к зонам p2, n4. Переходы П1 и П4 открыты, и играют роль эмиттерных переходов, а переход П2 закрыт и исполняет обязанности коллекторного перехода, и через симистор по выводам анод-катод протекает ток.
Теперь поменяем полярность и приложим напряжение отрицательным полюсом к зонам p1, n1, а положительным полюсом к зонам p2, n4. Переходы П1 и П4 закрыты, и переход П1 выполняет функции коллекторного перехода, а переход П2 открыт и служит коллекторным переходом, и через симистор и в этом случае по выводам анод-катод течёт ток.
Симисторы нашли широкое применение в устройствах регулирования скорости вращения электродвигателей, в системах освещения, в электронагревателях, в преобразовательных установках.
Фототиристором называют специальный тиристор, в корпусе которого (в случае дискретного исполнения) предусмотрено окно, при облучении которого световым потоком тиристор переходит в открытое состояние. При облучении всего полупроводникового кристалла, либо только участка между катодом и управляющим электродом тиристора под действием фотонов возникает фотогенерация носителей заряда, и чем интенсивнее будет световой поток, тем больше станет ток, протекающий по тиристору. При достаточной освещённости ток через выводы анод-катод тиристора лавинообразно возрастает, что вызывает открывание тиристора. Длительность включения фототиристоров может достигать несколько микросекунд. Следует отметить, что спектр света, которым облучают полупроводниковую структуру, должен быть согласован с определённой длиной волны, к облучению которой фототиристор максимально чувствителен. Материалом фототиристоров, как и типовых тиристоров, обычно выступает кремний. Редко в качестве основного материала маломощных быстродействующих тиристоров выступает арсенид галлия.
Некоторые фототиристоры позволяют коммутировать токи силой до сотен ампер при напряжениях анод-катод в десятки киловольт и обеспечивают гальваническую развязку системы управления и исполнительной цепи. В результате между устройством управления и фототиристором не нужно включать дорогой, ненадёжный и крупногабаритный высоковольтный трансформатор, который был бы необходим для гальванической развязки обычного тиристора, включённого в цепь с высоким напряжением относительно земли.
К некоторым важнейшим параметрам тиристоров относят следующее:
Амплитуда повторяющегося импульсного напряжения, которое прикладывают к закрытому тиристору, B.
Длительность включения, т.е. такой отрезок времени, за который тиристор переходит в открытое состояние под действием импульса тока, протекающего по управляющему электроду, мс.
Критическая скорость нарастания напряжения на закрытом тиристоре, т.е. значение такой максимальной скорости нарастания напряжения, которое не приведёт к отпиранию тиристора, dU / dt.
Напряжение включения, т.е. такое напряжение, приложенное к динистору, при котором он переходит в открытое состояние, В.
Напряжение переключения, т.е. приложенное к тиристору напряжение во время переключения, В.
Неповторяющийся ударный ток тиристора в открытом состоянии, т.е. предельно допустимый ток через открытый тиристор, который не вызовет выход компонента из строя при кратковременном воздействии, по завершении которого сила тока станет много меньше, А.
Постоянный обратный ток, протекающий по выводам анод-катод тиристора в закрытом состоянии, мА.
Предельно допустимая амплитуда импульсов тока, протекающего через выводы анод-катод открытого тиристора, А.
Предельно допустимый постоянный ток через выводы анод-катод открытого тиристора, А.
Ток запирания, т.е. такой ток, протекающий по управляющему электроду, который инициирует переход тиристора из открытого состояния в закрытое состояние, А.
Ток удержания, т.е. минимальный ток такой силы, под действием которого тиристор не переходит в закрытое состояние, А.
