Что такое полупроводниковые тиристоры?

Полупроводниковыми тиристорами называют такие полупроводниковые приборы, имеющие больше двух р-n-переходов и характеризуются двумя устойчивыми состояниями: включено и выключенным. Полупроводниковые тиристоры предназначены для коммутации электрических цепей.

Классификация. Тиристоры классифицируют по количеству выводов. Различают диодные, триодные и тетродные тиристоры. Первые из них имеют два внешних выводы (анод и катод), вторые — три (анод,
катод, управляющий электрод), третьи — четыре (анод, катод и два управляющие электроды). Триодные тиристоры еще классифицируют по способу переключения. Бывают запорные и незапорные триодные тиристоры. Первые из них, в отличие от других, способны переключаться с открытого состояния в закрытое после подачи на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности. Тиристоры еще классифицируют по симметричностью вольт-амперных характеристик. Различают симметричные и асимметричные тиристоры. Симметричные включаются при подаче на анод управляющего импульса не только в прямом, но и в обратном направлении, несимметричные — только в прямом направлении. Тиристоры классифицируют по способности работать в определенном режиме работы. Различают приборы, работающие на постоянном токе, на переменном и импульсном. Тиристоры переменного тока подобно тому, как другие полупроводниковые приборы, бывают низко-, средне- и высокочастотные.
Тиристоры классифицируют по мощности (низко-, средне- и высокомощные) по напряжению (низко-, средне- и высоковольтные) по технологии изготовления (диффузионно-сплавные, планарные, планарно-эпитаксиальные т.д.).

Условные изображения и обозначения. Тиристоры на схемах условно изображают так, как показано на рис. 1.

Условные изображения тиристоров

Рис. 1. Условные изображения тиристоров: а — диодный; б — диодный симметричный; в, г — триодный незапорный с управлением по анодом и катодом соответственно; д, е — триодные запорные с управлением по анодом и катодом соответственно; ж — триодный симметричный незапорный

Условные обозначения тиристоров такие, как и других полупроводниковых приборов. Они означают материал (К — кремний, Г — германий); класс (диодные, триодные, такие что добираются, симметричные); мощность (для диодных 1 — малой мощности, 2 — средней мощности) порядковый номер разработки (01 … 99); параметрическая группа (А … Я). Например, КН 102 А — кремниевый, диодный, малой
мощности, номер разработки 02, параметрическая группа А.

Строение. Структурно тиристор — это четырех или пятислойный полупроводниковый прибор с тремя или четырьмя р-n-переходами соответственно (рис. 2).

Структура несимметричного (а) и симметричного (б) тиристоров

Рис. 2. Структура несимметричного (а) и симметричного (б) тиристоров

Один из возможных вариантов строения тиристора приведены на рис. 3. Крайний участок, в который попадает ток из внешнего круга, называют анодом, второй крайний участок — катодом. Средние участки называют базами. В диодных тиристорах базу, которая примыкает к аноду, делают шире, чтобы уменьшить ток выключенного тиристора. В триодном тиристоре одну из баз используют для управления работой прибора и называют управляющим электродом. В симметричном тиристоре есть три базы, две из которых используют как управляющие электроды.

Строение триодного тиристора

Рис. 3. Строение триодного тиристора: 1 — p1- участок; 2 — n2-  участок; 3 — р2- участок; 4 — n2- участок; 5 — кристало-держатель; 6 — металлический вывод катода; 7 — вывод анода; 8 — вывод управляющего электрода

Работа. Диодные тиристоры, схема включение которых приведена на рис. 4, переходят в проводящее состояние при подаче на них напряжения, которое превышает напряжение включения.

Схема включения диодного тиристора

Рис. 4. Схема включения диодного тиристора

Энергетическая диаграмма диодного тиристора приведена на рис. 5. На схеме переходы %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 находятся под прямым смещением, а переход %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — под обратным. Структура %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 так же, как и транзистор, инжектирует дыры с %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 — участка в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участок, которые полем возвратно смещенного р-n-перехода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 перебрасывают в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участок, где они накапливаются, поэтому что потенциальный барьер р-n-перехода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 (рис. 5) не позволяет им двигаться дальше. Аналогично структура %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9, как и транзистор, инжектирует электроны с %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участка в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участок, которые полем р-n-перехода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 перебрасываются в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9— участок, где они накапливаются, так как потенциальный барьер р-n-перехода %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 не дает возможности им двигаться дальше.

Энергетическая диаграмма диодного тиристора

Рис. 5. Энергетическая диаграмма диодного тиристора

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Из-за накопления носителей заряда ток через тиристор в начальный момент практически не зависит от напряжения (рис. 6). С накоплением зарядов в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 и %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участках растет напряженность электрического поля %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9  р-n-перехода, в результате чего наступает ударная ионизация, в результате которой лавинообразно растет количество носителей (участок 2 на рис. 6). %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9 р-n-переход открывается и дальнейший рост напряжения на тиристоре сопровождается ростом тока, как во время прямого смещения р-n-перехода диода. Выключаются диодные тиристоры при уменьшении тока через них до уровня
тока отключения или при снятии анодного напряжения. Триодные тиристоры, схема включения которых показана на рис. 7, переходят в проводящее состояние с помощью управляющего тока, равном
токового выпрямления и остаются во включенном состоянии после снятия выпрямительного тока. В триодном тиристоре ток управляющего электрода Безымянный, который попадает в %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-участкам, добавляется к общему току через прибор, что эквивалентно увеличению коэффициента передачи транзистора %d0%b1%d0%b5%d0%b7%d1%8b%d0%bc%d1%8f%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9. С увеличением тока Безымянный напряжение включения триодного тиристора Безымянный уменьшается, а ток Безымянный в точке включение растет. Следовательно, изменяя ток Безымянный, можно управлять переключением триодного тиристора (рис. 8). Выключается триодный тиристор уменьшением анодного тока или снятием анодного напряжения.

Схема включения триодного тиристора

Рис. 7. Схема включения триодного тиристора

Безымянный

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

Запорные тиристоры включают так, как триодные, а выключают уменьшением анодного тока, а также представлением на управляющего электрод запорного напряжения. Симметричные тиристоры включаются представлением на анод управляющего импульса не только в прямом, но и в обратном направлении, поэтому они, отличие от предыдущих, могут работать в цепях переменного тока. Запирают
их снятием разности потенциалов между силовыми электродами или изменением их полярности.

Свойства. Свойства диодных тиристоров отражает их вольт амперная характеристика, приведенная на рис. 6, где показано, что участок ОА соответствует выключенному состоянию. На ней через прибор протекает небольшой ток стока и его сопротивление очень большое (единицы МОм). В точке А дифференциальный сопротивление равно нулю. На участке АБ дифференциальное сопротивление отрицательное. Этот участок отвечает неустойчивом состояния тиристора. При включении последовательно с прибором небольшого сопротивления нагрузки рабочая точка перемещается на участок БВ, которая соответствует включенному состоянию. На ней дифференциальное сопротивление, как и на участке ОА, положительное, но гораздо меньше значением (единицы Ом). Свойства триодных тиристоров иллюстрируют их вольт-амперные характеристики (Рис. 8), которых целая семья. Каждая из них соответствует определенному току управления, за увеличение тока управления уменьшается напряжение включения и абсолютное значение отрицательного дифференциального сопротивления. Свойства тиристоров отражают также их параметры. В качестве основных параметров используют напряжения и токи, соответствующие характерным точкам на ВАХ характеристиках. К ним относятся:

— Напряжение включения Безымянный — основное напряжение в точке включения тиристора;

— Ток включения Безымянный — основной ток в точке включения тиристора;

— Поддерживающий ток Безымянный — минимальный основной ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Основным называют напряжение между основными электродами тиристора — электродами, которые подключены к нагрузке, а основным током — ток через основные электроды.
Параметрам, характеризующим открытое состояние тиристора, является ток открытого тиристора Безымянный и его напряжение Безымянный. Закрытое состояние тиристора характеризует ток закрытого состояния Безымянный. Важным параметром является динамическое сопротивление в открытом состоянии.
Импульсные тиристоры характеризуются аналогичными импульсными параметрами:
— Импульсным отпирающим напряжением Безымянный
— Импульсным запорным током Безымянный
— Время включения Безымянный
— Емкостью между основными электродами Безымянный
— Время выключения Безымянный
— Время задержки импульсного сигнала Безымянный.

Применение. Тиристоры широко используют в схемах выпрямления, регулирования электрической энергии и в схемах импульсных усилителей как бесконтактные переключатели, реле, пускатели и др.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*