Диодный тиристор

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 рисунке 12.3.

Рисунок 12.3 - Структура диодного тиристора (а),

двухтранзисторная модель тиристора(b)

 

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.

Свойства тиристора отображаются его вольтамперной характеристикой (рисунок 12.4).

Рассмотрим процессы в динисторе при подаче на него прямого напряжения, то есть положительный потенциал на аноде, а отрицательный – на катоде. 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). Эмиттерные области значительно сильнее легированы примесями, чем базовые. Большая часть внешнего напряжения падает на закрытом коллекторном переходе П2. Через тиристор протекает ток закрытого коллекторного перехода П2 , который создается неосновными носителями заряда областей р₂ (электронами) и n₁ (дырками), что соответствует участку 1 вольтамперной характеристики динистора (рисунок 12.4).

Рисунок 12.4 – Вольт-амперная характеристика динистора

 

При достижении анодным напряжением значения происходит лавинный пробой перехода П2, концентрация неосновных носителей лавинно увеличивается, что приводит к росту анодного тока (участок 2). Носители заряда, поступившие в области n₁ и р₂, не успевают рекомбинирововать и накапливаются: электроны в n₁ области, а дырки - в р₂ области. Появившиеся заряды компенсируют внешнее электрическое поле, наблюдается смена полярности электрического поля, приложенного к переходу П2. Переход П2 открывается, и тиристор переходит в открытое состояние (участок 3). Этот процесс протекает с большой скоростью, что объясняется положительной внутренней обратной связью. Наличие связи можно установить, анализируя двухтранзисторную модель (рисунок 12.3,b), 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, то есть коллекторный ток первого транзистора является базовым током второго, и наоборот.

Анодный ток тиристора складывается из токов коллекторов транзисторов VT1 и VT2

 

(12.1)

 

и определяется следующими выражениями:

 

, (12.2)

 

, (12.3)

 

, (12.4)

 

, (12.5)

 

где и - дырочная и электронная составляющие обратного тока через переход П2,

- суммарный обратный ток через переход П2,

и - коэффициенты передачи по току транзисторов VT1 и VT2.

 

Последнее выражение позволяет показать, что при малых анодных токах, когда , (это объясняется рекомбинацией носителей заряда в базовых областях), то . После пробоя при увеличении тока все центры рекомбинации оказываются занятыми, , а . Процесс переключения форсируется положительной обратной связью. Действительно, как видно из двухтранзисторной модели ток открывает транзистор VT2, а ток , в свою очередь, открывает транзистор VT2.

Участок 4 вольт-амперной характеристики (рис.4) соответствует открытому состоянию тиристора. Все три p-n-перехода находятся под прямым напряжением. Падение напряжения на открытом тиристоре равно падению напряжения на одном p-n-переходе (диоде), т.к. напряжения на переходах П2 и П3 имеют противоположную полярность и компенсируют друг друга.

При обратном включении тиристора, когда к аноду приложен положительный полюс, а к катоду - отрицательный полюс источника переходы П1 и П3 оказываются под обратным напряжением, а П2 - под прямым. Через тиристор протекает обратный ток p-n-перехода (участок 5).

При превышении обратного напряжения значения происходит возрастания тока (участок 6). Это объясняется пробоем перехода П1. Для защиты тиристора от перенапряжений пробою придают лавинный характер, такие тиристоры называют лавинными.