Принцип роботи та вольт-амперні характеристики тиристора

 

При відсутності напруги між анодом і катодом за рахунок динамічної рівноваги буде створено три p-n-переходи. При наявності зовнішньої напруги так, щоб на р- напівпровідник був підключений позитивний потенціал “+”, а до n- напівпровідника негативний потенціал “–” (пряме включення) при невеликій напрузі емітерні переходи будуть ввімкнені в прямому напрямі, колекторний перехід в зворотному напрямі. Напруга зовнішнього джерела живлення майже повністю буде падати на колекторному переході. Струм в зовнішньому колі буде визначатися зворотним струмом колекторного переходу. При збільшенні напруги зростає напруга емітерних переходів. За рахунок цього електрони із n- напівпровідника будуть нагнітатися через емітерний p-n-перехід в р- базу, а звідти через другий p-n-перехід в n- базу, де будуть створювати збитковий негативний заряд. Аналогічно дірки із р- емітера будуть переходити в n- базу, а оскільки вони являються неосновними носіями заряду в n- напівпровідникові, то вони вільно пройдуть через колекторний перехід в р- базу, створюючи в ній збитковий позитивний заряд. Так буде відбуватися до того часу, поки збиткові заряди не компенсують контактну різницю потенціалів колекторного переходу і опір колекторного переходу не стане рівним нулю. В результаті цього відбудеться переключення тиристора із закритого стану в відкритий, в якому опір і падіння напруги на диністорі буде визначатися двома послідовно ввімкненими емітерними переходами.

В перехідному процесі з закритого стану в відкритий вольт-амперна характеристика має ділянку з від’ємним опором. При подальшому збільшенні напруги основне падіння буде на зовнішньому опорі навантаження, а диністор буде працювати як звичайний діод. При зменшенні струму буде зменшуватися кількість носіїв, які підтримують збитковий заряд і при деякому струмі, який називається струмом утримання, струм від зовнішнього джерела буде нездатний підтримувати збитковий заряд і диністор перейде в закритий стан.

Рисунок 59 Вольт-амперна характеристика диністора

 

Основними параметрами диністора являються:

Напруга переключення і відповідний їй струм переключення. Це параметри, при яких відбувається компенсація збитковими зарядами контактної різниці потенціалів колекторного переходу і в подальшому диністор сам самостійно перейде із закритого стану в відкритий.

Струм утримання – це мінімальний прямий струм, при якому тиристор ще знаходиться в відкритому стані, а при зменшенні його він переходить в закритий стан.

Коефіцієнт відношення струмів.

Часові параметри.

Диністор можна розглядати як два транзистори (n-p-n і p-n-p), ввімкнених так, щоб створити чотирьохшарову структуру.

Для визначення умови переключення чотирьохшарової структури знайдемо загальний струм з урахуванням особливостей n-p-n і p-n-p транзисторів. Для цього знайдемо струми колекторів.

Для того, щоб відбулося переключення диністора необхідно, щоб коефіцієнт передачі по струму емітера α був набагато більший одиниці. На ділянці з від’ємним опором α більше одиниці, і структура самостійно підтримує перехідний процес, якій відбувається при переключенні.

 

 

Рисунок 60 Структура диністора

 

→

;

; – умова переключення

Тиристори виготовляються тільки із кремнію, тому крім основних носіїв, які створюються емітером, в перехідному процесі і при збільшенні напруги відбувається лавинне розмноження носіїв, яке характеризується коефіцієнтом лавинного розмноження М. Тоді умова переключення тиристора буде визначатися

M_n = M_p – коефіцієнт лавинного множення.

А в точках переключення обов’язково виконується умова:

Створити перемикаючий пристрій на базі двох транзисторів практично неможливо, тому що у нормально виготовлених транзисторів коефіцієнт α наближається до одиниці. При виготовленні диністорів погіршують характеристики p-n-p і n-p-n структур. Одну із баз роблять ширше, ніж дифузійна довжина, за рахунок цього різко падає коефіцієнт передачі по струму α, тому що велика частина інжектованих носіїв із емітера рекомбінує в базі.

Один із переходів структури виготовляють із шунтуванням опором бази.

Шунтування одного із переходів опором бази забезпечує зменшення струму першого переходу при малій напрузі, тому що весь струм практично проходить вздовж першого переходу. При збільшенні напруги за рахунок зменшення опору

 

 

Рисунок 61 Структура диністора з шунтуванням емітерного переходу

 

зашунтованого переходу весь струм буде проходити через перехід вздовж бази, тому що опір бази залишився постійним. Таке шунтування забезпечує жорстку характеристику переключення, тобто переключення диністора із закритого стану в відкритий відбувається при одній і тій же напрузі. При відсутності такого шунтування диністор буде мати м’яку характеристику, і переключення буде відбуватися при різній напрузі.

 

Керовані тиристори

 

 

Рисунок 62 Структура тиристора з керуючим електродом

 

 

Рисунок 63 Вольт-амперні характеристики тиристора з керуючим електродом

Для того, щоб переключити тиристор із закритого стану в відкритий необхідно компенсувати збитковими зарядами контактну різницю потенціалів колекторного переходу. Це можна зробити за рахунок додаткового зовнішнього джерела живлення, щоб збільшити збитковий заряд в одній із баз. Для цього в одній із баз створюють не випрямляючий контакт з виводом, який називається керуючим електродом.

Щоб перемкнути тиристор через керуючий перехід необхідно від зовнішнього джерела збільшити кількість носіїв заряду в базі, в результаті цього загальний струм буде рівний:

Тоді умову переключення можна записати так:

 

 

Де α = α1+ α2 загальний коефіцієнт передачі струму

Змінюючи струм керуючого електроду, можна керувати напругою переключення із закритого стану в відкритий. При цьому важливу роль відіграє тривалість і потужність керуючого імпульсу. Керуючий імпульс повинний мати тривалість таку, щоб відбувалися перехідні процеси до створення лавиноподібного перехідного процесу, коли коефіцієнт α стане більше одиниці.

Керований тиристор, змінюючи струм управління, має різні вольт-амперні характеристики, при яких напруга переключення найбільша при струмі управління, рівному нулю, а при збільшенні струму управління напруга буде зменшуватися.

Тиристор характеризується коефіцієнтом запирання:

.