Диодные тиристоры (динисторы)

Диодный тиристор (рис. 5.1) – это тиристор, который имеет два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления. Основой наиболее простого из семейств тиристоров является четырехслойная полупроводниковая структура р-n-р-n-типа (рис. 5.2). Крайние области структуры называются эмиттерами, а центральные – базами. Электрод, присоединенный к р-эмиттеру,называют анодом (А), а электрод, присоединенный к n-эмиттеру – катодом (К). Базы тиристора отличаются толщиной и концентрацией примесных атомов.

При подаче на тиристор прямого напряжения т.е. положительного потенциала на анод, крайние р-n-переходы смещены в прямом направлении, средний переход смещен в обратном направлении. Большая часть прямого внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещён в обратном направлении, поэтому первый участок ВАХ тиристора (рис. 5.3) похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода. С увеличением анодного напряжения, увеличивается прямое напряжение, и на эмиттерных переходах электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются его полем и попадают в n-базу.

Дальнейшему продвижению электронов препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода, поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной n-яме, образуют избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.

Инжектированные из р-эмиттера дырки подхватываются полем коллекторного перехода и переходят в р-базу. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер левого эмиттерного перехода, т.е. в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора существует положительная обратная связь по току, т.е. увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Накопление зарядов в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить этот переход в прямом направлении, т.е. суммарное напряжение на коллекторном переходе будет уменьшаться. При U_a = U_вкл внутренняя положительная обратная связь вызывает лавинообразный процесс инжекции носителей заряда из эмиттеров, и коллекторный переход (КП) оказывается смещенным в прямом направлении. Сопротивление динистора уменьшается, а ток скачком увеличивается. При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается.

Таким образом, при подаче прямого напряжения на тиристор он может находится в двух состояниях: открытом и закрытом.

Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. Участок 1 (см. рис. 5.3) от значения U = 0 до напряжения включения U = U_вкл соответствует малым токам, т.е. за­крытому состоянию тиристора. В пределах этого участка дифференциальное сопротивление тиристора r_диф = dU / dI положи­тельно. В пределах участка 2 – 3 значение дифференциального сопротивления r_диф отрицательно. Увеличение тока вызывает умень­шение напряжения, что приводит к дальнейшему увеличению тока и т.д. Режим, соответствующий этому участку вольт-амперной ха­рактеристики, неустойчив.

Тиристор спонтанно переходит на участок 3 – 4 вольт-амперной характеристики, соответствующий откры­тому состоянию, при котором дифференциальное сопротивление вновь становится положительным. Этот участок имеет вид, аналогичный прямой ветви характеристики обычного диода.

Открытое состояние соответствует участку 3 – 4 (см. рис. 5.3). В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счёт проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах. Если ток уменьшить до некоторого значения, меньше удерживающего тока (I_уд), то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество носителей в базах, коллекторный переход сместиться в обратном направлении, тиристор закроется. Таким образом, I_уд – это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии.

Структуру тиристора можно представить в виде двух транзисторов (рис. 5.4). Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:

,

где α_1, α₂ – статические коэффициенты передачи тока транзисторов; – это токи через 1-й, 2-й, 3-й р-n-переходы соответственно; – обратный ток коллекторного перехода, общий для обоих транзисторов.

Для двухэлектродной структуры (динистора) из-за необходимости выполнения баланса токов токи через все переходы должны быть равны между собой:

,

где I_а – ток через тиристор (анодный ток).

Тогда анодный ток через тиристор можно будет найти по выражению:

,

где α_∑ = α₁ + α₂.

Последнее выражение представляет собой уравнение ВАХ динистора в закрытом состоянии. Статические коэффициенты передачи тока транзисторов увеличиваются с увеличением эмиттерного тока (рис. 5.5).

При достижении суммарным статическим коэффициентом значения, равного единице (α_∑ = 1), анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т.е. происходит включение динистора. Поэтому в процессе переключения ток через динистор должен быть ограничен сопротивлением нагрузки. При обратном напряжении на тиристоре, т.е. при отрицательном потенциале на аноде, эмиттерные переходы смещены в обратном направлении, коллекторные в прямом, в этом случая условий для переключения тиристора нет.

Триодные тиристоры

Для переключения триодного тиристора (рис. 5.6) также необходимо накопление зарядов в базах. В тринисторе, к одной из баз, имеющей более высокую концентрацию примеси и меньшую толщину (обычно р-база), присоединяют управляющий электрод УЭ. Через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличить инжекцию носителей путём подачи положительного, относительно катода, напряжения на управляемый электрод. Поэтому тринистор можно переключить в необходимый момент времени, даже при небольшом анодном напряжении.

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода. Тогда баланс токов:

.

Из этого выражения следует, что напряжение включения тиристора зависит от тока управления. С увеличением тока управления, напряжение включения уменьшается.

Уп­равляющее действие электрода УЭ проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение анодного тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. Исключение составля­ет специальный тип приборов – запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек­троде.

Чтобы выключить тиристор необходимо создать условия, при которых исчезает заряд, накопленный в базах транзистора. Выключить открытый тринистор (рис. 5.7) можно, как и динистор, только сделав значение пря­мого тока меньше значения удерживающего тока (I_уд).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощности в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5·10²..2·10³).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т.д.