4.1. Устройство и принцип действия диодных и триодных тиристоров.

Тиристором называется полупроводниковый прибор с четырёхслойной структурой

p-n-p-n.

Рис.4.1.

а – схематическое устройство четырёхслойного полупроводникового прибора;

б, в – представление его в виде двухтранзисторной схемы;

г – зависимость коэффициента α от тока эмиттера у кремниевого транзистора.

Тиристоры изготавливаются на основе кремниевых пластинок с p-n-p-n структурой. Внешняя область p называется анодом, к ней подсоединяется «+» источника напряжения. Внешняя n-область называется катодом, к ней подсоединяется «-» источника напряжения. К p-области анода прилегает область с электронной проводимостью (её называют

n-базой), за ней идёт область с дырочной проводимостью (p-база), а замыкает эту цепочку n-область катода.

Между областями с различной проводимостью образуются p-n переходы (I₁, I₂, I₃). Тиристор может быть моделирован комбинацией двух обычных транзисторов с различными типами проводимости: Т1 – p-n-p, Т2 – n-p-n. У Т1 переход I₁ – эмиттерный, I₂ – коллекторный. У Т2 переход I₃ – эмиттерный, I₂ – коллекторный. Таким образом, оба транзистора имеют общий коллекторный переход I₂. Крайние области являются эмиттерами, а средние области базами и коллекторами составляющих транзисторов Т1 и Т2. Если на анод А и катод К тиристора подать небольшое напряжение плюсом на анод, минусом – на катод, то оба эмиттерных перехода  (I₁ и I₃) составляющих транзисторов будут включены в прямом, а коллекторный переход I₂ – в обратном направлении. Напряжение U практически окажется приложенным к среднему переходу I₂.

Пусть α₁и α₂ коэффициенты передачи тока эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 соответственно. Из схемы замещения (4.1.б,в) видно, что,протекающий через переход I2, складывается из коллекторных токов α₁·Iэ1 и α₂·Iэ2, созданных эмиттерными токами обоих транзисторов, и небольшого собственного обратного тока этого перехода Io = Iкбо, т.е.  = α₁·Iэ₁ + α₂·Iэ2 + Io

Io применительно к тиристору называют током утечки.

В общем случае надо учитывать процесс умножения носителей зарядов при прохождении ими обратно включённого коллекторного перехода. С учётом этого:

 = M (α₁·Iэ₁ + α₂·Iэ2 + Io)

М – коэффициент умножения носителей заряда. При относительно малых обратных напряжениях умножение отсутствует, т.е. М=1. При значительных обратных напряжениях общий ток перехода увеличивается и М>1.

Очевидно, что  Iэ₁ = Iэ₂ =  = I, тогда

I = M (α₁·I + α₂·I + Io), отсюда

    (1).

Это уравнение (1) является основным соотношением для полупроводниковых приборов с четырёхслойной p-n-p-n структурой, из которого видно, что ток I зависит от M, α₁, α₂ и резко возрастает, когда M (α₁ + α₂) приближается к единице.

На рис 4.1, г показана зависимость α от тока эмиттера. При обратно включённом коллекторном переходе (даже при относительно больших значениях U) ток, протекающий через переход мал, при этом M1, а α₁ и α₂ также приблизительно равны единице. Следовательно, на основании формулы (1) получим:  I I_o.

В этом режиме оба транзистора находятся в выключенном состоянии, сопротивление между анодом и катодом очень большое (сотни килоом), что соответствует запертому состоянию тиристора.

Существуют два способа увеличения коэффициента α:

1 способ. Коэффициент передачи тока эмиттера транзистора возрастает при увеличении напряжения между коллектором и эмиттером (с увеличением напряжения несколько возрастает и ток Io и коэффициент M). Поэтому, если увеличить напряжение U, то коэффициенты α₁ и α₂, а следовательно, и коллекторные токи составляющих транзисторов будут возрастать, что в соответствие с равенством Iэ₁ = Iэ₂ =  и графиком 4.1, г вызовет дальнейшее увеличение коэффициентов α₁ и α₂.

 Используя схему замещения 4.1 б,в,  это можно пояснить следующим образом: коллекторный ток транзистора Т1, протекая в цепи базы Т2, отпирает транзистор Т2, увеличивая коллекторный ток этого транзистора, что в свою очередь приводит к возрастанию тока в цепи базы Т1 и вызывает дальнейшее увеличение его коллекторного тока. Таким образом, благодаря действию внутренней положительной обратной связи по току, создаются условия для лавинного нарастания общего тока через p-n-p-n структуру. Однако лавинный процесс начинается только при напряжении и токе включения, которые обеспечивают выполнение равенства M (α₁ + α₂)1. При этом условии коллекторные токи обоих транзисторов лавинно возрастают, и оба транзистора переходят в режим насыщения. Сопротивление между A и K падает до нескольких Ом, поэтому ток практически ограничивается лишь сопротивлением внешней цепи. В момент насыщения сопротивление коллекторных переходов транзисторов очень мало, напряжение на них приблизительно равно нулю и коэффициент M = 1. Режим, соответствующий отпертому (проводящему) состоянию тиристора, устанавливается или ещё удерживается при токе, который обеспечивает выполнение равенства:

α₁ + α₂ = 1 при малом значении коллекторного напряжения. Это ток удержания, он несколько больше тока включения.

2 способ увеличения α₁ и α₂. Он основан на том, что в кремниевом транзисторе α в сильной степени зависит от тока эмиттера (рис.4.1, г) и быстро возрастает при увеличении этого тока. На эмиттерный ток транзистора можно воздействовать током базы. Обычно в четырёхслойной полупроводниковой структуре вывод управляющего электрода делают от средней области p (база транзистора Т2, рис.4.1 а-в). В этом случае ток управляющего электрода Iу должен иметь направление, соответствующее направлению тока базы транзистора n-p-n, т.е. втекать в базу (рис.4.1, а). Протекая в цепи база-эмиттер T2, ток Iу увеличивает ток самого транзистора и тем самым увеличивает его коэффициент α₂. Это приведёт к увеличению токов I = Iэ₂ = Iэ₁ и, когда M(α₁ + α₂) будет равно 1, тиристор включается. Следует обратить внимание, что управляющий ток Iу позволяет увеличивать α₂ независимо от напряжения U, действующего между анодом и катодом прибора.

В тиристоре, благодаря действию положительной обратной связи, составляющие транзисторы находятся в режиме насыщения, если внешний отпирающий ток в цепи базы T2 после включения сделать равным нулю. В этом заключается принципиальное отличие между полупроводниковыми приборами с четырёхслойной структурой и транзисторами. Отпертый тиристор можно закрыть, если уменьшить проходящий через него ток, чтобы M(α₁ + α₂)< 1, или просто на короткое время разомкнуть цепь нагрузки.

Первый способ увеличения α используется для отпирания двухэлектродных полупроводниковых приборов с p-n-p-n структурой – диодных тиристоров или динисторов.

Второй способ – для триодных тиристоров (трёхэлектродный прибор) или тринисторов.