Принцип роботи

Крайні переходи тиристорної структури називають емітерними ЕП1, ЕП2, середній – колекторний КП, внутрішні області між переходами – базами, а крайні області – емітерами (рис.14.1 а)

Рис. 14.1. Структура транзистора:

а – якщо U_А=0; б – якщо U_А<0; в – якщо U_А>0

 

З подачею негативної напруги на анод тиристора відносно катода (рис.14.1,б) його колекторний перехід КП зміщується в прямому напрямі, а обидва емітерних переходи ЕП – в зворотному. ВАХ тиристора (рис. 14.2) в цьому режимі є характеристикою двох послідовно з’єднаних електронно-діркових переходів (емітерних), підключених в зворотному напрямі (ділянка 4). Струм через тиристор буде невеликим: він визначається процесами екстракції і термогенерації неосновних носіїв заряду в цих переходах. При напрузі U_проб виникає пробій емітерних переходів і струм тиристора різко зростає – тиристор виходить з ладу.

 

Рис. 14.2. Вольт-амперна характеристика тиристора

 

При прямій напрузі U_А (“+” – до аноду, “ – “ – до катоду) ширина емітерних переходів зменшується, а колекторного переходу – збільшується (рис. 14.1, в).

Якщо прикладена напруга U_А є малою, електрони і дірки, потрапивши в результаті інжекції відповідно в p- і n-бази, стають неосновними носіями заряду і рекомбінують. В цьому випадку, провідність тиристора буде малою (струм через тиристор – малий) - ділянка 1.

При збільшенні напруги U_А збільшується пряма напруга на ЕП1 і ЕП2, а, відповідно, і інжекція. Кількість носіїв заряду, що поступає в бази з емітерів за одиницю часу виявляється більшою кількості зарядів, які рекомбінують в базах. В результаті цього дірки з p-емітера потрапляють в p-базу через КП (він для них не являється потенційним бар’єром), а електрони з n-емітера – в n-базу. В n-базі утворюється нерівноважний заряд електронів, а в p-базі – заряд дірок. Ці заряди підсилюють інжекцію дірок p-емітера і електронів n-емітера, що призводить до збільшення незрівноважених позитивних зарядів в p-базі і негативних – в n-базі і т.д. Виникає лавиноподібний процес, який призводить до появи прямої напруги на КП завдяки компенсації позитивного поля анода негативним полем збільшеного заряду n-бази, а також компенсації негативного поля катода позитивним полем збільшеного заряду p-бази. Ці явища відбуваються миттєво (стрибком). Пряма напруга на КП стрибком зменшує опір тиристора, при цьому зменшується падіння напруги на ньому і різко збільшується струм I_А (ділянки 2, 3).

Анодний струм буде складатися із трьох компонентів:

- діркового струму p-емітера – α₁I_А,,

де α₁ – коефіцієнт передавання струму ЕП1;

- електронного струму n-емітера – α₂I_А,

де α₂ – коефіцієнт передавання струму ЕП2 ;

- зворотного струму КП – I_зв = I_КБ01+ I_КБ02.

Коефіцієнти передавання струму α₁ і α₂ суттєво залежать від струмів емітерів (рис. 14.3).

Тоді струм I_А можна записати

 

I_А=α₁I_А+α₂I_А+I_ЗВ

(14. 1)

 

Рис. 14.3. Залежність коефіцієнтів α від струму I_Е

 

При малих струмах емітера і малих напругах U_А

α₁+α₂«1, тому I_А≈ I_зв

і тиристор закритий.

Струм анода, визначений власним зворотним струмом колекторного переходу I_ЗВ є малим. З підвищенням напруги U_А струм I_Е зростає, що призводить до зростання коефіцієнтів α₁, α₂ і

α₁+α₂à1

При цьому різко зростає струм I_А, що випливає із формули (14.1).

Схему підключення динистора наведено на рис. 14.4. Струм I_А визначається опором навантаження і напругою джерела живлення E

 

,

де U – падіння напруги на диністорі.

Рис. 14.4. Схема підключення тиристора

 

Падіння напруги на відкритому тиристорі мале і складає близько 1 В, тому струм при заданому E буде визначатися опором навантаження

Таким чином, тиристор є ключовим НП приладом, що має два сталих стани: „відкрито” – ділянка 3, і „закрито” – ділянка 1. Ця особливість тиристора підкреслена в його назві („тира” – по грецьки „двері”).

Вмикання тиристора спрощується завдяки наявності у нього електроду управління (рис. 14.5).

 

Рис. 14.5. Структура триністора і його вольт-амперні характеристики

 

При прикладанні до електроду управління прямої (позитивної відносно катода) напруги в p-базу вводяться незрівноважені дірки. При цьому збільшується інжекція електронів через ЕП2, а отже більша кількість електронів пройде через КП, зросте коефіцієнт передавання α₁ і тиристор вмикається при меншій напрузі U_А.

До переваг тиристора відносять:

- високий коефіцієнт підсилення за потужністю - 10⁴... 10⁵. Це пов’язано з незначною потужністю, що витрачається в контурі управління, порівняно з потужністю, що виділяється в анодному контурі;

- можливість управління вмиканням тиристора напругою на електроді управління: чим більша напруга управління, тим менша напруга вмикання. В цьому випадку вмикання тиристора відбувається при меншій анодній напрузі U_А.

Отже, тиристор вмикають як за анодом так і за електродом управління.

Крім того, вмикати тиристор можна і іншими способами:

- збільшенням ємностного струму стоку колекторного переходу КП, обумовленого швидким зростанням прикладеної напруги U_А (ефект ). При цьому збільшується коефіцієнт α₁, і, відповідно, α₁+α₂à1;

- опроміненням світлом (фототиристор, оптронний тиристор), що призводить до генерації пар електрон-дірка, а відповідно і збільшення коефіцієнтів α₁ і α₂;

- нагрівом тиристора, що збільшує термогенерацію носіїв. При цьому зростають струми емітерів тиристора, а, відповідно, і коефіцієнти α₁ і α₂.

Ці способи забезпечують вмикання тиристора при меншій напрузі U_А.

Для вимикання тиристорів необхідно видалити з його баз надлишковий (нагромаджений) заряд для зміни полярності напруги на КП і зміщення його в зворотному напрямі.

Вимикання тиристора відбувається за анодним контуром і за контуром управління:

- зменшенням або припиненням анодного струму I_А (рис. 14.6);

- подачею зворотної анодної напруги U_А;

- подачею зворотної напруги переходу управління U_У.

При зменшенні анодного струму коефіцієнти α₁ і α₂, що залежать від струмів I_Е1 і I_Е2, стають малими, що призводить до зміщення КП в зворотному напрямку і до вимикання тиристора .

Рис. 14.6. Схеми вимикання тиристора припиненням анодного струму I_А

 

Якщо подано зворотну анодну напругу, струм припиняється також завдяки закриттю КП.

Якщо подано зворотну напругу на електрод управління, для закриття тиристора необхідний великий струм управління, що енергетично невигідно. Невеликий струм управління мають вимикальні тиристори. При виготовленні таких тиристорів знижують коефіцієнт інжекції p-емітера. Це призводить до зменшення порогу компенсації нерівноважного заряду електронів в p-базі електрода управління. В цьому випадку для вимикання тиристора за емітерним переходом управління вводиться в p-базу менший негативний заряд, тобто струм електроду управління буде невеликим.

Вхідну ВАХ тиристора визначають при розімкнутому анодному контурі (I_А=0). Вона є звичайною ВАХ електронно-діркового переходу (рис. 14.7). При відкритому тиристорі його анодний струм частково відгалужується в контур електрода управління, тому вхідна ВАХ зміщується праворуч.

Рис. 14.7. Вхідна вольт-амперна характеристика тиристора