Устройството и параметрите на тиристорите

TИристорът е полупроводниково устройство с три (или повече) p-n прехода, характеристиката на токово напрежение на които има секция с отрицателно диференциално съпротивление и която се използва за превключване в електрически вериги.

Най -простият тиристор с два изхода е диоден тиристор (динистор). Триодният тиристор (SCR) допълнително има трети (управляващ) електрод. И диодните, и триодните тиристори имат четирислойна структура с три p–н-преходи (фиг. 1).

Крайните зони p1 и н2 се наричат ​​съответно анод и катод, контролен електрод е свързан към една от средните области p2 или n1. P1, P2, P3- преходи между p- и n-области.

Източник E на външното захранващо напрежение е свързан към анода с положителен полюс спрямо катода. Ако токът Iу през управляващия електрод на триодния тиристор е нулев, неговата работа не се различава от работата на диодния. В някои случаи е удобно тиристорът да се представи като еквивалентна на два транзистора схема, използваща транзистори с различни видове електрическа проводимост p-n-p и н-R-н (Фиг. 1, б).

Фиг. 1. Структура (а) и двутранзисторна еквивалентна схема (б) на триоден тиристор

Както може да се види от фиг. 1, б, преходът P2 е общ колекторен преход на двата транзистора в еквивалентната верига, а преходите P1 и P3 са емитерни кръстовища. С увеличаване на предното напрежение Upr (което се постига чрез увеличаване на ЕРС на източника на захранване E), токът на тиристора се увеличава леко, докато напрежението Upr се доближи до определена критична стойност на пробивното напрежение, равна на напрежението при включване Uin (Фиг.2).

Ориз. 2. Характеристики на токово напрежение и конвенционално обозначение на триоден тиристор

При по -нататъшно увеличаване на напрежението Upr под въздействието на нарастващо електрическо поле в P2 прехода се наблюдава рязко увеличаване на броя на носителите на заряд, образувани в резултат на ударна йонизация при сблъсък на носители на заряд с атоми. В резултат на това токът в кръстовището бързо се увеличава, тъй като електроните от слоя н2 и дупките от слой р1 се втурват в слоеве р2 и н1 и ги насища с малцинствени носители на заряд. При по -нататъшно увеличаване на ЕМП на източника E или намаляване на съпротивлението на резистора R, токът в устройството се увеличава в съответствие с вертикалния участък на I — V характеристиката (фиг.2)

Минималният ток напред, при който тиристорът остава включен, се нарича задържащ ток Isp. Когато токът напред намалява до стойността Ipr <Isp (низходящ клон на I — V характеристиката на фиг. 2), високото съпротивление на връзката се възстановява и тиристорът се изключва. Времето за възстановяване на съпротивлението на p — n прехода обикновено е 1 — 100 µs.

Напрежението Uin, при което започва подобно на лавина увеличение на тока, може да бъде намалено чрез допълнително въвеждане на малцинствени носители на заряд във всеки от слоевете, съседни на P2 прехода. Тези допълнителни носители на заряд увеличават броя на йонизационните действия в P2 p-n прехода и следователно напрежението при включване Uincl намалява.

Допълнителни носители на заряд в триодния тиристор, показани на фиг. 1, се въвеждат в слоя p2 от спомагателна верига, захранвана от независим източник на напрежение. До каква степен напрежението при включване намалява с увеличаване на управляващия ток е показано от семейството на кривите на фиг. 2.

Прехвърляйки се в отворено (включено) състояние, тиристорът не се изключва дори когато управляващият ток Iy намалее до нула. Тиристорът може да бъде изключен или чрез понижаване на външното напрежение до определена минимална стойност, при която токът става по -малък от задържащия ток, или чрез подаване на отрицателен токов импулс към веригата на управляващия електрод, чиято стойност обаче е съизмерима със стойността на включения напред ток Ipr.

Важен параметър на триодния тиристор е отключващият управляващ ток Iу on — токът на управляващия електрод, който осигурява превключването на тиристора в отворено състояние. Стойността на този ток достига няколкостотин милиампера.

Фиг. 2 може да се види, че когато се приложи обратно напрежение към тиристора, в него възниква малък ток, тъй като в този случай преходите P1 и P3 са затворени. За да се избегне повреда на тиристора в обратна посока (което изважда тиристора от работа поради термичен пробив на хода), е необходимо обратното напрежение да бъде по -малко от Urev.max.

При симетрични диодни и триодни тиристори обратната I — V характеристика съвпада с директната. Това се постига чрез контрапаралелно свързване на две еднакви четирислойни структури или чрез използване на специални петслойни структури с четири p-n прехода.

Ориз. 3. Структурата на симетричен тиристор (а), схематичното му представяне (б) и характеристиката на токово напрежение (в)

В момента тиристори се произвеждат за токове до 3000 A и напрежения при включване до 6000 V.

Основните недостатъци на повечето тиристори са непълната управляемост (тиристорът не се изключва след отстраняване на управляващия сигнал) и относително ниската скорост (десетки микросекунди). Наскоро обаче бяха създадени тиристори, при които първият недостатък е отстранен (заключващите се тиристори могат да бъдат изключени с помощта на управляващия ток).

Потапов Л.А.