Юридическая
консультация:
+7 499 9384202 - МСК
+7 812 4674402 - СПб
+8 800 3508413 - доб.560
 <<
>>

Лекция 18. Устройство и принцип работы динистора, тиристора, симистора и фототиристора

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. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Рис. 6.1. Условные обозначения тиристоров: динистора (а), однооперационного тиристора (б), двухопе рационного тиристора (в), фототиристора (г), симистора (д)

Основными типами являются диодные (рис. 6.1, а) и триодные (рис. 6.1, б—г) тиристоры.

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. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи третьего — управляющего электрода. По цепи управляющего электрода при этом могут выполняться либо одна, либо две операции изменения состояния тиристора. В зависимости от этого различают одно- и двухоперационные тиристоры. В однооперационных тиристорах (рис. 6.1, б) по цепи управляющего электрода осуществимо только отпирание тиристора. С этой целью на управляющий электрод подается положительный относительно катода импульс напряжения. Запирание одно- операционного тиристора, а также динистора производится по цепи анода 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 (рис. 6.1, г) отпирание прибора производится с помощью светового импульса.

Все перечисленные приборы выполняют функцию бесконтактного ключа, обладающего односторонней проводимостью тока. Прибор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях, называют симметричным тиристором (симистором). По своему назначению симистор (рис. 6.1, д) призван выполнять функции двух обычных тиристоров (рис. 6.1, б), включенных встречно-параллельно.

Анализ принципа действия указанных типов тиристоров проведем следующим образом. Достаточно подробно рассмотрим работу однооперационного тиристора (рис 6.1, б), как наиболее распространенного, а для других типов покажем их особенности.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа р-п-р-п с тремя p-n-переходами (рис. 6.2), в которой р1-слой выполняет функцию анода, а п2-слой — катода. Управляющий электрод связан с р2-слоем структуры. Основной материал в производстве тиристоров — кремний. Четырехслойная структура обычно создается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина п-типа толщиной 70—600 мкм (в зависимости от типа тиристора). Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру типа р1-п1-р2. Затем после локальной обработки поверхности р2-слоя вносят донорную примесь в р2-слой для получения четвертого п2-слоя.

Рис. 6.2. Полупроводниковая структура тиристора

Для удобства изучения процессов, протекающих в тиристоре, представим его в виде структуры, изображенной на рис. 6.3. Рассмотрение проведем с помощью вольт-амперной характеристики тиристора (рис. 6.4) при включении внешних напряжений в соответствии с рис. 6.3.

Рис. 6.3. Составляющие токов в тиристоре при включении внешних напряжений

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления Iy = 0. Обратному напряжению тиристора (E < 0, Uак 0, Uак > 0). Полярность внешнего напряжения на тиристоре и переходах структуры показана на рис. 6.3 в скобках. Крайние переходы П1, П3 смещаются в прямом направлении, а средний переход П2 — в обратном. В связи с этим напряжение на приборе оказывается приложенным практически к переходу П2. Вначале рассмотрим случай отсутствия тока управления (Iу = 0). Этот режим, как и предыдущий, справедлив и для динистора.

Анализ процессов в тиристоре при Uак > 0 удобно проводить, воспользовавшись так называемой двухтранзисторной аналогией. При наличии на тиристоре напряжения в прямом направлении его можно представить в виде двух транзисторов типов р-п-р и п-р-п: транзистора Т1 типа p1-n1-p2 и транзистора Т2 типа п2-p2-n1 (см. рис. 6.3). Эмиттерным переходом для первого транзистора является переход П1, для второго транзистора Т2 — переход П3. Переход П2 служит общим коллекторным переходом обоих транзисторов. При этом полярность напряжений на переходах соответствует той, какая требуется для работы обоих транзисторов в усилительном режиме: эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Представив тиристор в виде сочетания транзистора Т1 с коэффициентом передачи тока α1 и током эмиттера Iэ1 и транзистора Т2 с коэффициентом передачи тока α2 и током эмиттера Iэ2, нетрудно показать составляющие тока в приборе (см. рис. 6.3). Составляющая (1 – α1)Iэ1 — это ток базы транзистора Т1, составляющая α1Iэ1 — ток коллектора этого транзистора. Токи транзистора Т1 обусловлены главным образом движением дырок через n1-базу. В транзисторе Т2 ток переносится в основном электронами (пунктирные стрелки на рис. 6.3). Его составляющие (показаны на рис. 6.3 сплошными линиями) представляют собой: (1 – α2)Iэ2 — ток базы, α2Iэ2 — ток коллектора. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, через него протекают также составляющие, обусловленные неосновными носителями заряда: дырки n1-области создают ток IкР, электроны p2-области — ток Iкn, Токи Iкp и Iкn образуют суммарный ток Iк (см. рис. 6.3).

Одним из факторов, влияющих на прямую ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, является зависимость коэффициентов α1 и α2 от тока (рис. 6.5). Большее значение коэффициента α2 по сравнению с αt объясняется меньшей толщиной p2-базы по сравнению с n1-базой (см. рис. 6.3). В связи с этим n1-базу часто называют толстой, а p2-базу — тонкой. Требуемая зависимость коэффициентов α от тока создается в процессе изготовления приборов. Так, например, широко применяйся шунтирование перехода П3, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера транзистора Т2 и коэффициента α2 в области малых токов.

Рис. 6.5. Зависимость коэффициентов α1 и α2 от тока

После выяснения составляющих токов тиристора и установления зависимости коэффициентов α от тока можно рассмотреть прямую ветвь вольт-амперной характеристики прибора (рис. 6.4).

На начальном участке 0—б, соответствующем малым значениям прямого напряжения Uа, ток Iа мал. Коэффициенты α1 и α2 близки к нулю. Близки к нулю также составляющие токов α1Iэ1 и α2Iэ2 перехода П2. Ток через переход П2, а следовательно, и ток через тиристор Iа будет равен току Iк, т.е. в данном случае будет определяться обратным (тепловым) током Iк0 перехода П2. Таким образом, начальный участок 0—б прямой ветви вольт-амперной характеристики тиристора представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики р-п-перехода П2, смещенного в обратном направлении.

По мере роста анодного напряжения, а следовательно, и напряжения на коллекторном переходе увеличиваются ток Iк и анодный ток через тиристор. Причина возрастания тока Iк связана, как известно, с увеличением тока утечки по поверхности перехода и умножением в нем носителей заряда. Увеличение тока через прибор сопровождается повышением коэффициентов α1 и α2. С некоторого значения тока Iа необходимо учитывать составляющие токов транзисторов α1Iэ1 и α2Iэ2, протекающие через коллекторный переход. Вследствие того что повышение напряжения Uа приводит к увеличению тока Iк, а также составляющих α1Iэ1, α2Iэ2, на вольт-амперной характеристике появляется участок б—в с более сильной зависимостью тока Iа от напряжения Uа.

Ток Iа можно найти, определив ток Iп2, протекающий через коллекторный переход:

Iп2 = α1Iэ1 + α2Iэ2 + Iк . (6.1)

С учетом того, что в любом сечении прибора при Iу = 0 протекает одни и тот же ток Iа(Iп2 = Iэ1 = Iэ2 = Iа). соотношение (1.40) приобретает вид

Iп2 = Iа = (α1 + α2) Iа + Iк (6.2)

откуда

. (6.3)

Выражение (6.3) подтверждает наличие участков 0—б и б—в на вольт-амперной характеристике тиристора. При малых напряжении Ua и токе Iа (участок 0—б) сумма коэффициентов передачи тока α1 + α2 ≈ 0, анодный ток Iа ≈ Iк. На участке б—в ток Iа возрастает за счет увеличения тока Iк и суммы α1 + α2 которая, однако, не достигает единицы на этом участке.

Точка в является граничной, в которой создаются условия для отпирания тиристора. Напряжение на приборе в точке в называется напряжением переключения Uпер.

Рассмотрим более подробно процесс перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (участок в—г). При этом объясним сущность двух явлений, связанных с отпиранием прибора: 1) уменьшение напряжения на переходе П2 и тиристоре; 2) действие внутренней положительной обратной связи в приборе, благодаря которой процесс имеет скачкообразный характер.

Причиной перехода тиристора из закрытого состояния в открытое является повышение роли составляющих α1Iэ1 и α2Iэ2 и соответственно их суммы (α1+α2)Iа в токе через переход П2 по сравнению с током Iк. По мере приближения к точке в увеличение тока через прибор происходит главным образом за счет составляющих α1Iэ1 и α2Iэ2, а не за счет увеличения тока Iк = Iк0, вызываемого повышением напряжения на переходе П2. В точке в роль составляющих α1Iэ1 и α2Iэ2 и их суммы (α1 + α2)Iа столь значительна в балансе составляющих токов (6.2), протекающих через переход П2, что дальнейшее увеличение тока Iа возможно лишь за счет уменьшения тока Iк, а следовательно, уменьшения обусловливающего этот ток напряжения на переходе П2 и тиристоре Uа (отпирание прибора).

Уменьшение напряжения на переходе объясняется тем, что увеличение составляющих токов α1Iэ1 и α2Iэ2 через переход П2 вызывает увеличение потока электронов в n1-базу и дырок в p2-базу и соответственно появление в базах избыточных носителей заряда, снижающих потенциальный барьер коллекторного перехода. Одновременно с этим избыточные носители заряда в базах снижают потенциальные барьеры эмиттерных переходов П1 и П3, вызывая дополнительную инжекцию носителей заряда. Это приводит к еще большему возрастанию коэффициентов α1 и α2 и заполнению носителями зарядов обеих баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания.

Участок г—д соответствует открытому состоянию тиристора. В точке г напряжение на переходе П2 равно нулю, ток Iк = 0, сумма коэффициентов α1 + α2 = 1. Ток через переход П2 равен сумме составляющих α1Iэ1 и α2Iэ2. Напряжение на приборе Uа в точке г равно сумме напряжений па переходах П1 и П3, смещенных в прямом направлении.

При перемещении по кривой от точки г к точке д ток через тиристор возрастает, что увеличивает коэффициенты α1 и α2, а также их сумму (α1 + α2 > 1). Баланс составляющих токов через коллекторный переход достигается изменением полярности напряжения на переходе П2 («переполюсовка» коллекторного перехода на рис. 6.5), вследствие чего ток Iк изменяет направление. Иными словами, коллекторный переход под действием избыточных зарядов — дырок в р2-базе и элекфонов в n1 базе, создаваемых потоками носителей соответственно первого и второго транзисторов, переводится в проводящее состояние, обеспечивая встречную инжекцию носителей заряда (ток Iк теперь уже не является обратным током коллекторного перехода П2).

Таким образом, коллекторный ток Iк играет существенную роль в работе тиристора, обеспечивая баланс составляющих токов через коллекторный переход. Необходимая величина Iк устанавливается благодаря изменению напряжения на коллекторном переходе под действием зарядов, накапливаемых в базах тиристора.

На участке г—д все три p-n-перехода прибора находятся под прямым напряжением смещения. Напряжения на переходах П1, П3 противоположны по знаку напряжению на переходе П2. В связи с этим падение напряжения на приборе (0,75—1,5 В) примерно равно падению напряжения на одном переходе (как в диоде). Увеличение падения напряжения на тиристоре при движении по кривой от точки г к точке д объясняется повышением напряжения на переходах и ростом падения напряжения в слоях полупроводниковой структуры с увеличением тока.

Рассмотрим поведение тиристора при наличии тока управления (Iу > 0). С этой целью получим выражение для его анодного тока. При Iу > 0 также справедливо выражение (1.40), определяющее ток коллекторного перехода по его составляющим. Как и в предыдущем случае, Iп2 = Iэ1 = Iа, но в ток Iэ2 будет входить Iу, поэтому Iэ2 = Iа + Iу С учетом приведенных соотношений решение (6.1) относительно Iа дает

. (6.4)

В соответствии с выражением (6.4) ток управления приводит к более крутому нарастанию анодного тока. Это связано, во-первых, с наличием в числителе выражения (6.4) составляющей α2Iy и, во- вторых, с большим значением коэффициента α2 вследствие возрастания тока Iэ2 на величину тока управления. Ввиду появления дополнительной составляющей α2Iy в токе коллекторного перехода и повышения коэффициента α2 переключение тиристора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем напряжении на приборе (см. рис. 6.4). Процесс, связанный с переходом тиристора из закрытого состояния в открытое, происходит при Iу ≠ 0 подобно рассмотренному. Влияние тока Iу на вольт-амперную характеристику тиристора иллюстрируют участки кривых 0—е и 0—ж, показанные для двух значений тока управлении Iy2 > Iy1.

При некотором значении тока управления участок закрытого состояния тиристора на прямой ветви вольт-амперной характеристики исчезает и характеристика приближается к прямой ветви вольт-амперной характеристики простого р-п-перехода (ветвь 0—г—д). Наблюдается так называемое спрямление характеристики. Значение тока Iу, при котором происходит спрямление характеристики, определяет ток управления спрямления Iу.спр.

Тиристор как ключевой элемент нашел широкое применение в цепях постоянного и переменного токов. Рассмотренный режим работы, когда отпирание прибора следует после достижения на нем напряжения переключения Unep (переключение по цепи анода), используется лишь в схемах с динисторами.

Для тиристора переключение по цепи анода представляет интерес лишь с точки зрения анализа принципа действия и вольт-амперной характеристики этого прибора. Практическое применение нашел режим отпирания по управляющему электроду, т.е. за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения. Сущность этого режима отпирания тиристора заключается в следующем.

В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания Е меньше напряжения переключения тиристора Uпер. При E > 0 рабочая точка тиристора расположена на прямой ветви вольт-амперной характеристики 0—в. Через нагрузку и тиристор (см. рис. 6.3) протекает малый ток, соответствующий рабочей точке на этой ветви. В требуемый момент времени подают импульс управления Еу, задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока управления, больший тока спрямления. Тиристор открывается, и рабочая точка переходит на ветвь г—д. Ток через тиристор и нагрузку находят теперь из соотношения Iа = Iн = (Е – Ua) / Rн, где Uа — падение напряжения на тиристоре, определяемое рабочей точкой на ветви г—д. Задачу определения токов и напряжений удобно решать графически, построив линию, проходящую через точки с координатами (0; E/Rн) и (E; 0) (см. рис. 6.4). Координаты точек пересечения этой линии с вольт-амперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состояниях.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Их справочными параметрами по току служат допустимое значение среднего прямого тока (как для маломощных выпрямительных диодов и диодов средней мощности) или максимальный постоянный прямой ток. Параметром по напряжению этих тиристоров является максимально допустимое напряжение, которое определяется по наименьшему из значений прямого (Uпер при Iу = 0) и обратного напряжений, соответствующих началу крутого нарастания обратного тока.

Мощные тиристоры используются в системах преобразования электрической энергии. Параметры по току (In, Iр.п, Iуд) и напряжению (Up, Uп, Uип) у них те же, что и для мощных диодов. Параметры по напряжению указываются по наименьшему значению прямого и обратного напряжений. Мощные тиристоры выполняют с теплоотводом. Способы теплоотвода здесь те же, что и для мощных диодов. Подобным же образом решаются задачи последовательного и параллельного соединения тиристоров.

Из других наиболее существенных параметров необходимо указать обратный ток тиристора, напряжение и ток цепи управления, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое. Динамические параметры тиристора характеризуют время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое (время включения tвк) и время восстановления запирающих свойств (время выключения tв).

Восстановление запирающих свойств осуществляется за счет приложения к тиристору обратного напряжения. Величина tв определяет время, в течение которого происходит полное рассасывание носителей заряда в базовых слоях ранее проводившего тиристора при приложении обратного напряжения, по окончании которого к прибору может быть вновь приложено напряжение в прямом направлении без опасения его самопроизвольного отпирания. Процесс восстановления запирающих свойств происходит за счет двух факторов: протекания обратного тока через тиристор, при котором отводится основная часть носителей заряда, накопленных в базах прибора, и рекомбинации оставшихся носителей заряда. Величины tвк и tв определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время tвк составляет от 1—5 до 30 мкс, а время tв — от 5—12 до 250 мкс.

Фототиристор (см. рис. 6.1, г) по принципу действия подобен рассмотренному. Отличие заключается в том, что увеличение числа носителей заряда в тиристоре, необходимое для его отпирания, производится не за счет тока управления, а за счет освещения прибора (р2-слоя на рис. 6.3). С этой целью в корпусе прибора предусматривается специальное окно. Фототиристоры нашли широкое применение в высоковольтных установках преобразования электрической энергии, поскольку они позволяют надежно решать задачу развязки по напряжению выходной цепи прибора и системы управления.

Рис. 6.6. Полупроводниковая структура симистора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

Вольт-амперные характеристики двухоперационного тиристора (см. рис. 6.1, в) такие же, как и у однооперационного. В двухоперационных тиристорах запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод — катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току отпирания. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора Т2 уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора. Двухоперационные тиристоры выпускаются на токи до 10 А.

В симметричных тиристорах (симисторах, см. рис. 6.1, д) с помощью комбинации р- и n-слоев создают полупроводниковую структуру (рис. 6.6, а), в которой как при одной, так и при другой полярности напряжения выполняются условия, соответствующие прямой ветви вольт-амперной характеристики обычного тиристора. Прибор способен проводить ток в обоих направлениях; его вольт-амперные характеристики приведены на рис. 6.6, б.

Верхняя часть структуры симистора (рис 6.6, а) состоит из слоев п1, p1 и п4. Ее крайние слои металлизации электрически объединены и связаны с внешним выводом А прибора. В нижней части структуры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом В прибора, связывает электрически слои р2 и п3. Вывод от центральной части p1-слоя является управляющим электродом тиристора. Слои с противоположным типом электропроводности образуют в структуре пять р-п-переходов.

Предположим, что тиристор закрыт и к внешнему выводу А относительно вывода В подано напряжение положительной полярности (на рис. 6.6, а показана без скобок). При этом переходы П2, П4 смещаются в прямом направлении, а переход П3 — в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к переходу П3.

При подаче на управляющий электрод импульса напряжения положительной полярности относительно вывода А переход П5 смещается в прямом направлении и инжектирует электроны из п4-слоя в р1-слой. Инжектируемые электроны под действием диффузии проходят р-слой в направлении перехода П2. Прямое напряжение на переходе П2 будет ускоряющим для электронов, которые входят в п2-слой. Вошедшие электроны снижают потенциал п2-слоя относительно р1-слоя, прямое напряжение на переходе П2 увеличивается, что приводит к инжекции дырок из р1-слоя в п2-слой. Пройдя под действием диффузии п2-слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехода П3 и перебрасываются в р2-слой Диффузионное движение дырок в р2-слое в направлении внешнего вывода В возможно лишь по пути огибания перехода П4 (на рис. 6.6, а показано стрелкой), так как поле перехода П4 для дырок будет тормозящим.

В результате протекания дырочного тока через р2-слой в нем создается падение напряжении, которое увеличивает прямое смещение перехода П4. В свою очередь, увеличиваются инжекция электронов из п3-слоя в р2-слой и последующий их переход в п2-слой во встречном направлении. Появление дополнительного числа электронов в п2-слое вызывает еще больший поток дырок в направлении внешнего вывода В.

В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному процессу нарастания тока через прибор и отпиранию правой половины тиристорной структуры p1-n2-p2-n3. Таким образом, в результате подачи импульса управления осуществляется переход тиристора с участка закрытого состояния 0—а на участок открытого состояния б—в вольт-амперной характеристики рис. 6.6, б.

При подведении к тиристору напряжения противоположной полярности (на рис. 6.6, а показана в скобках) поведение прибора определяется структурой левой его части n1-p1-n2-p2, соответствующей обычному тиристору с внешним напряжением, приложенным в прямом направлении.

Симисторы выпускаются на токи до 160 А и напряжения до 1200 В.

<< | >>
Источник: Руденкова В.И.. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. Лекция. 2006

Еще по теме Лекция 18. Устройство и принцип работы динистора, тиристора, симистора и фототиристора:

  1. СОДЕРЖАНИЕ
  2. Лекция 18. Устройство и принцип работы динистора, тиристора, симистора и фототиристора