ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Лектор: ст. преподаватель Баевич Г.А. Лекция 12 ТИРИСТОРЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. Устройство и принцип работы двухоперационного тиристора. Схемы включения двухоперационного тиристора. Устройство и принцип работы симистора. Схемы включения симистора. Устройство и принцип работы фототиристора. Параметры тиристоров. Общие сведения Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием па прибор. Типы: • • диодные: динистор; • • • • • триодные: однооперационный тиристор; двухоперационный тиристор; фототиристор; симистор. Типы В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины, являющейся параметром прибора. Запирание производится изменением полярности напряжения анод — катод. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи третьего — управляющего электрода. В однооперационных тиристорах по цепи управляющего электрода осуществимо только отпирание тиристора. С этой целью на управляющий электрод подается положительный относительно катода импульс напряжения. Запирание производится изменением полярности напряжения анод — катод. Двухоперационные тиристоры допускают по цепи управляющего электрода как отпирание, так и запирание прибора. Для запирания на управляющий электрод подается отрицательный импульс напряжения. В фототиристорах отпирание прибора производится с помощью светового импульса. Cимметричный тиристор (симистор) прибор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях. Динистор. Устройство Динистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости p1 n1 - p2 - n2. • Крайние переходы (J1 и J3) называются эмиттерными, а области, примыкающие к ним, - эмиттерами. • Средний p-n-переход (J2) называется коллекторным. • Внутренние n1- и p2-области структуры называются базами. • Область p1 называется анодом (А), область n2 - катодом (К) Динистор. Принцип работы • При подаче прямого напряжения, т. е. «+» на анод, «-» на катод крайние p-nпереходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, средний переход J2 смещен в обратном направлении. Динистор можно представить в виде двухтранзисторной структуры. • Так как переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, из них в области баз инжектируются носители заряда: дырки из области p1, электроны из области n2. Эти носители заряда диффундируют в областях баз n1 и p2, приближаясь к коллекторному переходу, и перебрасываются его полем через переход J2. • Дырки, инжектированные из области p1, и электроны из области n2 движутся через переход J2 в противоположных направлениях, создавая общий ток I. Динистор. Принцип работы • При малых значениях внешнего напряжения ток через динистор мал и равен обратному току через переход J2. • При определенной величине напряжения носители заряда ускоряются настолько, что при столкновении с атомами p-n-перехода J2 ионизируют их, вызывая лавинное размножение носителей заряда. Ток через переход J2 увеличивается, а его сопротивление и падение напряжения на нем уменьшаются. Это приводит к повышению напряжения, приложенного к переходам J1 и J3 и увеличению инжекции через них, что вызывает дальнейший рост коллекторного тока и токов инжекции. • Сопротивление перехода J2 становится малым. Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незначительным. • Носители заряда, появившиеся в областях вследствие инжекции и лавинного размножения, приводят к уменьшению сопротивления всех областей динистора, и падение напряжения на нем становится незначительным. Динистор. ВАХ 1 - закрытое состояние динистора; 2 - участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением; 3 - характеристика диода, смещенного в прямом направлении. • Динистор характеризуется максимально допустимым значением прямого тока Imax, при котором на приборе будет небольшое напряжение Uоткр. • Если уменьшать ток через прибор, то при некотором значении тока, называемом удерживающим током Iуд, ток резко уменьшается, а напряжение резко повышается, т. е. динистор переходит обратно в закрытое состояние, соответствующее участку 1. • Напряжение между анодом и катодом, при котором происходит переход тиристора в проводящее состояние, называют напряжением включения Uвкл. • При подаче на анод отрицательного напряжения коллекторный переход J2 смещается в прямом направлении, а эмиттерные переходы в обратном направлении. В этом случае не возникает условий для открытия динистора и через него протекает небольшой обратный ток Включение динистора • Прямое напряжение на запертом динисторе: Uпр ≤ Uпр.макс, где Uпр.макс. ≈ 0,5 Uвкл. • Условие включения: Uпр. ≥ Uвкл. • пусковой импульс положительной полярности; • пусковой импульс отрицательной полярности; • импульсный трансформатор. Однооперационный тиристор. Принцип работы • При подключении UВН p-n-переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, средний p-n-переход J2 смещен в обратном направлении. Во внешней цепи будет протекать малый обратный ток коллекторного перехода J2. • При подключении UУ (источник управления) между катодом и управляющим электродом (УЭ) ток управления при определенной величине может привести к лавинообразному нарастанию тока в полупроводниковой структуре до тех пор, пока он не будет ограничен резистором R в цепи источника питания UВН. Произойдет процесс включения тиристора. Однооперационный тиристор. Принцип работы • При создании разности потенциалов между анодом и катодом в прямом направлении оба транзистора будут закрыты. • При подключении источника управления UУ во входной цепи транзистора VT2 потечет базовый ток, являющийся током управления тиристора IУ. • Под действием этого тока в коллекторной цепи транзистора VT2 потечет ток IК2 =β2IУ , где β2 - коэффициент передачи по току транзистора VT2. • Под воздействием тока Iб1 в выходной коллекторной цепи транзистора VT1 потечет коллекторный ток: IК1 = β1 Iб1 = β1 IК2 = β1 β2 IУ , • Условие включения тиристора: β1 β2 > 1. Однооперационный тиристор. ВАХ • Чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения UВКЛ. • При изменении полярности приложенного к тиристору напряжения вольтамперная характеристика будет представлять собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обыкновенного диода. Отпирание однооперационного тиристора Iу ≥ Iу спр; Uу ≥ Uу.спр • источник постоянного тока; • импульсный сигнал. Запирание однооперационного тиристора • • • • разрыв анодной цепи; шунтирование; увеличение сопротивления в анодной цепи; коммутирующий конденсатор. Запираемый тиристор. Принцип работы • Чтобы выключить запираемый тиристор, нужно пропустить через управляющий электрод ток противоположной полярности. • Управляющий электрод запираемого тиристора выполняют из множества однотипных ячеек, распределённых определённым образом по площади кристалла. • Коэффициент запирания равен отношению тока анода к необходимому для выключения компонента обратному току управляющего электрода. • В областях анода и катода запираемый тиристор состоит из большого числа технологических ячеек, представляющих отдельные тиристоры, которые включены параллельно. Запираемый тиристор. Принцип работы • При достаточной величине тока выключения избыточная концентрация неосновных носителей заряда снижается до нуля вблизи коллекторного перехода тиристора. При этом коллекторный переход смещается в обратном направлении, воспринимая часть внешнего напряжения. • Так, оба транзистора начинают работать в активном режиме, и в структуре возникает положительная обратная связь при отрицательном базовом токе в n-p-n-транзисторе VT2. • Вследствие лавинообразного уменьшения зарядов в базовых областях анодный ток начинает снижаться. Транзистор VT2 n-p-n-типа первый входит в режим отсечки. • Действие положительной обратной связи прекращается, и дальнейший спад анодного тока определяется рекомбинацией в n- базе тиристора. Запираемый тиристор. ВАХ Симистор. Принцип работы • Пять областей с чередующимся типом проводимости - четыре p-n-перехода. • Контакты от крайних областей наполовину шунтируют первый и четвертый p-n-переходы. • При полярности «+ -» переход J1 включен в обратном направлении и ток через него мал. Весь ток через полупроводниковую структуру будет протекать через область p1. Четвертый переход J4 будет включен в прямом направлении и через него будет проходить инжекция электронов. Значит, при данной полярности источника рабочая структура симистора представляет собой p1-n2-p2-n3-структуру, аналогичную структуре обычного тиристора, • В схемном отношении симистор можно представить в виде двух встречнопараллельных тиристоров. Симистор. ВАХ ВАХ симметрична относительно начала координат. Фототиристор. Принцип работы • Специальный тиристор, в корпусе которого предусмотрено окно, в которое вместо подачи сигнала на управляющий электрод подаётся сигнал в виде потока лучистой энергии. • 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. Фототиристор. ВАХ Параметры тиристоров • Напряжение переключения: постоянное - Uпрк, импульсное - Uпрк и (десятки - сотни вольт). • Напряжение в открытом состоянии Uос - падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии (1÷3 В). • Обратное напряжение Uобр - напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы - тысячи вольт). • Постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии Uзс - максимальное значение прямого напряжения, при котором не происходит включение тиристора (единицы - сотни вольт). • Неотпирающее напряжение на управляющем электроде Uнот - наибольшее напряжение, не вызывающее отпирание тиристора (доли вольт). • Запирающее напряжение на управляющем электроде Uуз - напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы - десятки вольт). • Ток в открытом состоянии Iос - максимальное значение тока открытого тиристора (сотни миллиампер - сотни ампер). • Обратный ток Iобр (доли миллиампер). • Отпирающий ток Iуот - наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки миллиампер). • Ток утечки Iут - это ток, протекающий через тиристор с разомкнутой цепью управления при прямом напряжении между анодом и катодом. • Ток удержания Iуд - минимальный прямой ток, проходящий через тиристор при разомкнутой цепи управления, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии. • Время включения tвкл - это время от момента подачи управляющего импульса до момента снижения напряжения UАК тиристора до 10 % от начального значения при работе на активную нагрузку (единицы - десятки микросекунд). • Время выключения tвыкл, (время восстановления управляющей способности тиристора). Это время от момента, когда прямой ток тиристора становится равным нулю, до момента, когда прибор снова будет способен выдерживать прямое напряжение между анодом и катодом.
