Диодные тиристоры. Структура и принцип действия

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий два вывода, через которые проходит как основной ток, так и ток управления.

В основе структуры динистора лежит четырехслойная p-n-p-n структура, показанная на рис. 1. Четыре слоя полупроводника образуют три p-n перехода П1, П2, и П3. Кроме них есть еще два омических перехода, один из которых между слоем p1 и металлическим электродом, называемым анодом, а второй – между слоем n2 и металлическим электродом, называемым катодом.

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения, то есть положительный потенциал на аноде, а отрицательный – на катоде (рис.1). В этом случае переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными, а переход П2 смещен в обратном направлении и называется коллекторным. Таким образом, у динистора две эмиттерные области (p1- и n2-эмиттеры) и две базовые области (n1- и p2-базы). Эмиттеррные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые. Большая часть внешнего напряжения падает на закрытом коллекторном переходе П2.

При малых значениях напряжения на входе через закрытый переход П2 и через динистор может протекать лишь малый обратный ток. При повышении анодного напряжения начинают действовать два взаимно противоположных процесса. С одной стороны, увеличивается обратное напряжение на переходе П2, и за счет этого расширяется область пространственного заряда (ОПЗ), образованная положительными ионами примеси в n1-базе и отрицательными – в p2-базе. Электроны в n1-базе стягиваются к переходу П1, а дырки в p2-базе – к переходу П3. Это приводит к увеличению поля перехода Епер и сопротивления коллекторного перехода П2. С другой стороны, увеличение внешнего напряжения приводит к усилению инжекции дырок из p1-эмиттера в n1-базу, где они втягиваются полем Епер в ОПЗ, проходят переход П2 и попадают в p2-базу, частично рекомбинируя в n1 - базе (рис.2). В слое p2 дырки удерживаются полем потенциального барьера, созданного отрицательными ионами ОПЗ и основными носителями этой области – дырками. Поэтому они накапливаются в этой области, создавая избыточную концентрацию основных носителей в p2-базе. Аналогичный процесс происходит и с электронами, которые инжектируются n2-эмиттером в p2-базу и затем накапливаются в n1-базе .

Избыточные заряды в базовых областях частично компенсируют пространственные заряды ионов, ослабляя тем самым поле Епер. На рис.2 это отмечено наличием поля избыточных зарядов Еизб. За счет этого потенциальный барьер перехода П2 понижается и уменьшается его сопротивление. Кроме того, накопление избыточных зарядов в базовых областях стимулирует усиление инжекции носителей из эмиттеров p1 и n2 . Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь (ПОС), благодаря которой усиление тока через переход П1, например, вызывает усиление тока через переход П3, и наоборот.

На вольт – амперной характеристике (ВАХ) динистора этим процессам соответствует участок ОА. Точка А соответствует некоторому напряжению включения Uвкл, при котором два рассмотренных процесса уравновешивают друг друга, величина потенциального барьера и сопротивление перехода П2 практически становятся равными нулю. Любое, сколь угодно малое, увеличение напряжения выше Uвкл приведет к заметному росту тока одного из эмиттерных переходов, за счет ПОС возрастет ток второго перехода. Процесс развивается лавинообразно и динистор практически мгновенно входит в режим насыщения, когда ток через него ограничивается лишь сопротивлением нагрузки.

Сопротивление самого тиристора при этом складывается из сопротивления трех открытых p-n переходов и четырех объемных сопротивлений полупроводника. Каждое из этих сопротивлений мало, поэтому падение напряжения на них не превышает долей вольта, а полное падение напряжения на открытом тиристоре не более нескольких вольт.

Переходу из закрытого в открытое состояние тиристора соответствует участок АВ ВАХ, участок ВС соответствует работе тиристора в открытом состоянии.

На участке ОА преобладает первый из рассмотренных выше процессов, и сопротивление тиристора растет, но рост этот замедляется по мере приближения к точке А. После точки А второй механизм создает поле Еизб > Епер, и переход П2 становится открытым, его сопротивление резко уменьшается.

В открытом состоянии (участок ВС) прямое смещение перехода П2 поддерживается избыточным зарядом в базах за счет проходящего тока. Если ток постепенно уменьшать, то при достижении некоторого значения, меньшего удерживающего тока Iуд, в результате рекомбинации количество избыточных зарядов станет недостаточным для компенсации поля ионов в ОПЗ, коллекторный переход смещается в обратном направлении и ток резко уменьшается до значения, соответствующего точке D, тиристор перейдет в закрытое состояние. Удерживающий ток Iуд – это минимальный ток, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии.

 

Триодные тиристоры.

 

Триодный тиристор (тринистор) – это тиристор, имеющий два основных и один управляющий выводы.

Для переключения тринистора из закрытого в открытое состояние тоже необходимо накопление избыточных носителей заряда в базовых областях. В динисторе при повышении анодного напряжения до Uвкл это накопление неравновесных носителей заряда происходит либо из-за увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы, либо из-за ударной ионизации в ОПЗ коллекторного перехода. В тринисторе, имеющем дополнительный управляющий вывод от одной из базовых областей, можно повысить уровень инжекции через прилегающий к ней эмиттерный переход путем подачи на него дополнительного прямого напряжения. Таким образом, можно добиться переключения тринистора в открытое состояние даже при небольшом анодном напряжении, меньшем Uвкл.

Часто бывает удобным представление тиристора в виде эквивалентной модели, составленной из двух транзисторов. Если на рис. 4,а провести мысленно разрез по штриховой линии, то получится схема, представленная на рис. 4,б. Она состоит из двух транзисторов: VT1 p-n-p типа и VT2 n-p-n типа. Эмиттерные переходы тиристора являются эмиттерными переходами транзисторов, а коллекторный переход тиристора является общим коллекторным переходом обоих транзисторов. Слой n1 – это база VT1 и коллектор VT2, а слой p2 – база VT2 и коллектор VT1. Поскольку разрез только мысленный, то в тиристоре базы каждого транзистора напрямую соединены с коллекторами другого транзистора, то есть коллекторный ток первого транзистора является базовым током второго, и наоборот.

 

Используем эту модель для анализа механизма переключения тринистора с помощью управляющего тока. Усилительные свойства транзисторов VT1 и VT2 будем характеризовать коэффициентами передачи тока эмиттера a p и an или коэффициентами передачи тока базы bp и bn. Из схемы рис. 4,б следует, что управляющий ток Iу – это базовый ток IБ2 транзистора VT2.

Он вызывает инжекцию электронов через эмиттерный переход П3 и коллекторный ток VT2, будет

IK2 = anIЭ2 = bnIу.

Ток IK2 - базовый ток транзистора VT1 IБ1, он вызывает инжекцию дырок через эмиттерный переход П1, в результате чего коллекторный ток VT1

IK1= apIЭ1 = bpIБ1 = bpIK2 .

Ток IK1 в сумме с током Iу создают ток IБ2, то есть ток IK1 увеличивает ток управления и потому является током внутренней ПОС. При наличии ПОС управляющий сигнал становится:

IБ2 = Iу + IK1 = Iу + bpIK2 = Iу + bPbnIу. = Iу (1 + bPbn) (2.1)

Из (2.1) следует, что, сели bp > 1 и bn > 1, так, что bPbn >> 1, то в скобках (2.1) можно пренебречь единицей. Это означает, что при этом условии (bPbn >> 1) базовые токи будут быстро нарастать и оба транзистора окажутся в насыщении даже после отключения

управляющего тока. При этом коллекторный переход П2 будет смещен в прямом направлении, как и в обычном транзисторе в режиме насыщения.

 

Уравнение ВАХ тиристора.

 

Эквивалентная модель тиристора позволяет получить уравнение ВАХ в закрытом состоянии. Для динистора ток перехода П2 можно записать:

IП2 = I = apIП1 + anIП3 + IKO , (2.2)

 

где IП1, IП2,, IП3 – токи переходов П1, П2, П3; ap , an – статические коэффициенты передачи токов эмиттера транзисторов VT1 и VT2; IKO – обратный ток коллектора, он является общим для обоих транзисторов.

Условие баланса токов для динистора соответствует равенству всех токов между собой:

 

IП1 = IП2 = IП3 = I (2.3)

Тогда полный ток динистора

 

I = IKO / (1 - a), (2.4)

где a = ap + an – суммарный статический коэффициент передачи тока тиристорной структуры.

Выражение (2.4) представляет уравнение ВАХ динистора в закрытом состоянии. Напомним, что коэффициент передачи тока эмиттера a транзистора изменяется в зависимости от ряда факторов. В частности он растет при:

- увеличении тока эмиттера из-за уменьшения влияния рекомбинации в эмиттерном переходе и появления электрического поля в базе из-за увеличения градиента концентрации носителей заряда;

- увеличении напряжения на коллекторном переходе из-за уменьшения толщины базы ого размножения в коллекторном переходе.

По этим причинам статические коэффициенты передачи тока эмиттера ap и an, а также суммарный коэффициент a = ap + an , являются функциями тока I и напряжения U, приложенного к тиристору.

В точке переключения дифференциальное сопротивление тиристора равно нулю. До переключения почти все напряжение, приложенное к тиристору, падает на переходе П2. Дифференцируя (2.2) по напряжению с учетом (2.3) и принимая во внимание что

 

получим для дифференциального сопротивления:

(2.5)

На участке ОА ВАХ r> 0, на участке АВ – rдиф < 0. Точка А – точка перехода из закрытого состояния в открытое, в ней r = 0. Это условие из (2.5) выполняется, если

 

(2.6)

Величина - дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера транзистора, поэтому (2.6) запишем в виде:

apдиф + anдиф = 1. (2.7)

Обычно это условие удовлетворяется раньше, чем условие равенства единице суммы статических коэффициентов передачи токов VT1 и VT2, так как дифференциальные коэффициенты передачи несколько больше статических.

Превышение aдиф > 1 означает, что приращение тока коллектора больше приращения тока эмиттера. Это условие означает накопление зарядов в базовых областях, о чем уже говорилось выше. Избыточные заряды в базах уменьшают напряжение на коллекторном переходе (участок АВ ВАХ).

После переключения тиристора из закрытого состояния в открытое рост тока через тиристор увеличивает суммарный коэффициент aдиф = apдиф + anдиф, но резкое уменьшение напряжения на всей тиристорной структуре уменьшает его. Поэтому соотношение (2.7) можно считать не только условием переключения тиристора, но и уравнением ВАХ на участке переключения АВ.

Если в p-базу тиристора подается положительный ток управления Iу, то во втором слагаемом (2.2) к току инжекции IП3 через эмиттерный переход П3 надо добавить ток управления. После соответствующих преобразований вместо (2.4) получим:

 

(2.8)

Соотношение (2.8) показывает, что подача тока Iу >0 усиливает действие внутренней ПОС из-за увеличения инжекции катодным (управляющим) переходом тиристора. При этом за счет добавки anIу собственный ток коллекторного перехода П2 в точке переключения будет меньше, чем при Iу =0, то есть будет достигаться при меньших напряжениях U на тиристоре (рис.5).

Обратная ветвь ВАХ тиристора подобна обратной ветви ВАХ полупроводникового диода, так как при подаче на тиристор обратного напряжения все три перехода будут заперты.

 


p">Далее ⇒