Тиристор

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Символ тиристора

Тири́стор — це перемикальний напівпровідниковий прилад, що проводить струм тільки в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем (англ. Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор має три виводи: анод, катод, та керуючий електрод — використовується для переведення тиристора у відкритий стан.

Тиристор поєднує в собі функції випрямляча та вимикача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Основні властивості тиристора:

  • тиристор, як і діод, проводить струм в одному напрямку, проявляючи себе як випрямляч;
  • тиристор переводиться з вимкненого стану в увімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, як вимикач, має два стійкі стани. Проте для повернення тиристора у вимкнений стан необхідно виконати спеціальні умови;
  • керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із вимкненого стану в увімкнений, є малим, порівняно зі струмом який може проходити в напрямку анод — катод (декілька міліампер при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер).
  • середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор в цьому випадку працює як регулятор потужності.

Будова і основні види тиристорів[ред.ред. код]

Рис. 1. Будова тиристорів:
  • основна чотиришарова p-n-p-n-структура;
  • діодний тиристор;
  • тріодний тиристор

Будова тиристорів показана на рис. 1 Тиристор складається з чотирьох напівпровідникових (шарів), які з'єднані послідовно і відрізняються типами провідності: p-n-p-n. p‑n‑переходи, — переходи між провідниками, — на рисунку позначені як «J1», «J2» і «J3». Електрод під'єднаний до зовнішнього p-шару називається анодом, до зовнішнього n-шару — катодом. У загальному випадку, p-n-p-n-прилад може мати до двох керуючих електродів (баз), під'єднаних до внутрішніх шарів. Подачею сигналу на керуючий електрод здійснюється управління тиристором (зміна його стану).

Прилад, який не містить керуючих електродів, називається діодним тиристором або диністором. Такі прилади керуються напругою, прикладеною між основними електродами.

Прилад, що містить один керуючий електрод, називають тріодним тиристором або тріністором (іноді просто тиристором, хоча це не зовсім правильно). Залежно від того, до якого прошарку напівпровідника підключений керуючий електрод, тріністори бувають керованими по аноду і по катоду. Найбільш поширені останні.

Описані вище прилади бувають двох різновидів: пропускають струм в одному напрямку (від анода до катода) і пропускають струм в обох напрямках. У останніх ВАХ симетрична, тому відповідні прилади називаються симетричними. Симетричні прилади виготовляються з п'яти шарів напівпровідників. Симетричний тріністор називається також симістором або тріаком (від англ. Triac). Слід зауважити, що замість симетричних диністорів, часто застосовуються їх схемотехнічні аналоги, в тому числі і інтегральні, що мають, зазвичай, кращі параметри.

Тиристори, що мають керуючий електрод, діляться на запираємі і незапираємі. Незапираємі тиристори не можуть бути переведені в закритий стан (що відображено в їх назві) за допомогою сигналу, що подається на керуючий електрод. Такі тиристори закриваються, коли протікаючий черх них струм стає меншим від струму утримання. На практиці це зазвичай відбувається в кінці напівхвилі мережевої напруги.

Вольт-амперна характеристика тиристора[ред.ред. код]

Типова ВАХ тиристора, який проводить в одному напрямку (з керуючими електродами або без них), наведена на рис. 2. Опис ВАХ:

  • крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (0; 0) і (Vвo; IL) (нижня гілка), відповідає високому опору приладу (прямому замикання приладу);
  • точка (Vвo; IL) відповідає моменту включення тиристора (переключення динистора у включене стан);
  • крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (Vвo; IL) і (V н; Iн), відповідає переключенню приладу під включене стан (нестійка область). Судячи з того, що крива має S-подібну форму, можна зробити висновок про те, що опір тиристора негативне диференціальний. Коли різниця потенціалів між анодом і катодом тиристора прямоїполярності перевищить величину Vво, відбудеться відмикання тиристора (діністорний ефект);
  • крива ВАХ від точки з координатами (Vн; Iн) і вище відповідає відкритого стану приладу (прямий провідності);
  • на графіку показані ВАХ з різними струмами управління IG (струмами на керуючому електроді тиристора): IG = 0; IG> 0; IG >> 0. Чим більше струм IG, тим при меншій напрузі Vвo відбувається перемикання тиристора в провідний стан;
  • пунктиром позначена крива ВАХ, відповідна протіканню в ланцюзі струму IG >> 0 — так званого «струму включення випрямлення». При такому струмі тиристор переходить в провідний стан при мінімальній різниці потенціалів між анодом і катодом. Для перекладу тиристора в непроводящее стан необхідно знизити струм в ланцюзі анод-катод нижче струму включення випрямлення;
  • крива ВАХ на ділянці від VBR до 0 відповідає режиму зворотного замикання приладу;
  • крива ВАХ на ділянці від - до VBR відповідає режиму зворотного пробою.

Вольтамперная характеристика симетричних тиристорів відрізняється від наведеної на рис. 2 тим, що крива в третій чверті графіка повторює ділянки 0-3 симетрично відносно початку координат.

За типом нелінійності ВАХ тиристор відносять до S-приладів.

Режими роботи триодного тиристора[ред.ред. код]

Режим зворотнього запирання[ред.ред. код]

Рис. 3. Режим зворотнього запирання тиристора

Два основні чинники обмежують режим зворотного пробою і прямого пробою:

  1. пробій;
  2. прокол збідненої області.

У режимі зворотного запирання до анода прикладено негативну, по відношенню до катода, напругу; переходи J1 і J3 зміщені у зворотному напрямку, а перехід J2 зміщений у прямому (див. рис. 3). У цьому випадку велика частина прикладеної напруги спадає на одному з переходів J1 або J3 (в залежності від ступеня легування різних областей). Нехай це буде перехід J1. Залежно від товщини Wn1 шару n1 пробій викликається лавинним множенням (товщина збідненої області при пробої менше Wn1) або проколом (збіднений шар поширюється на всю область n1, і відбувається змикання переходів J1 і J2).

Режим прямого запирання[ред.ред. код]

При прямому запиранні напруга на аноді є позитивною по відношенню до катода і зворотньо зміщений лише перехід J2. Переходи J1 і J3 зміщені в прямому напрямку. Велика частина прикладеної напруги спадає на переході J2. Через переходи J1 і J3 в області, що примикають до переходу J2, инжектуються неосновні носії заряду, які зменшують опір переходу J2, збільшують струм через нього і зменшують падіння напруги на ньому. При підвищенні прямої напруги струм через тиристор спочатку росте повільно, що відповідає ділянці 0-1 на ВАХ. В цьому режимі тиристор можна вважати закритим, оскільки опір переходу J2 все ще є дуже великим. У міру збільшення напруги на тиристорі знижується частка напруги, що спадає на J2, і швидше зростають напруги на J1 і J3, що викликає подальше збільшення струму через тиристор і посилення інжекції неосновних носіїв заряду в область J2. При деякому значенні напруги (близько десятків або сотень вольт), що називається напругою перемикання VBF (точка 1 на ВАХ), процес набуває лавиноподібного характеру, тиристор переходить в стан з високою провідністю (відкривається), і в ньому встановлюється струм, який визначається напругою джерела і опором в зовнішньому колі.

Двотранзисторна модель тиристора[ред.ред. код]

Для пояснення характеристик приладу в режимі прямого замикання використовується двотранзисторна модель тиристора. Тиристор можна розглядати як з'єднання p-n-p транзистора з n-p-n транзистором, причому колектор кожного з них з'єднаний з базою іншого, як показано на рис. 4. Центральний p-n перехід діє як колектор дірок, що інжектуються переходом J1, і електронів, що інжектуються переходом J3. Взаємозв'язок між струмами емітера , колектора , бази і статичним коефіцієнтом підсилення по струму p-n-p транзистора також приведена на рис. 4, де  — зворотний струм насичення переходу колектор-база.

Рис. 4. Двотранзисторна модель тріодного тиристора, з'єднання транзисторів і співвідношення струмів в p-n-p транзисторі

Аналогічні співвідношення можна отримати для n-p-n транзистора при зміні напрямку струмів на протилежний. З рис. 4 випливає, що колекторний струм n-p-n транзистора є одночасно базовим струмом p-n-p транзистора. Аналогічно колекторний струм p-n-p транзистора і керуючий струм втікають в базу n-p-n транзистора. В результаті, коли загальний коефіцієнт підсилення в замкнутій петлі перевищить одиницю, стане можливим лавиноподібний процес збільшення струму через структуру, при цьому напруга на приладі стане приблизно рівною 1 В, а струм буде обмежений лише опором зовнішнього кола.

Струм бази p-n-p транзистора дорівнює . Цей струм також протікає через колектор n-p-n транзистора.

Струм колектора n-p-n транзистора з коефіцієнтом підсилення дорівнює

Прирівнявши і , отримаємо:

Оскільки то:

Рис. 5. Енергетична зонна діаграма в режимі прямого зміщення: стан рівноваги, режим прямого замикання і режим прямої провідності

Це рівняння описує статичну характеристику приладу в діапазоні напруг аж до пробою. Після пробою прилад працює як p-i-n-діод. Слід зазначити, що всі складові в чисельнику правої частини рівняння малі, отже, поки член струм малий. Коефіцієнти

залежать від і ростуть зі збільшенням струму аж до високих його величин. Якщо то знаменник дробу в наведеній формулі для анодного струму прямує до нуля, струм зростає і відбувається прямий відновлюваний пробій (включення тиристора).

Якщо полярність напруги між анодом і катодом змінити на зворотну, то переходи J1 і J3 будуть зміщені у зворотному напрямку, а J2 — у прямому. За таких умов включення приладу не відбувається, оскільки як емітер носіїв заряду працює тільки центральний p-n перехід і лавиноподібний процес наростання струму стає неможливим.

Ширина збіднених шарів і енергетичні зонні діаграми в рівновазі, в режимах прямого замикання і прямий провідності, показані на рис. 5. При нульовій напрузі на приладі збіднена область кожного переходу і контактні потенціали визначаються тільки профілем розподілу домішок. Коли до анода прикладена позитивна напруга, перехід J2 прагне зміститися в зворотному напрямку, а переходи J1 і J3 — в прямому. Падіння напруги між анодом і катодом дорівнює алгебраїчній сумі падінь напруги на переходах: . При підвищенні напруги зростає струм через прилад, отже збільшуються і

Завдяки регенеративному характеру цих процесів прилад зрештою перейде у відкритий стан. Після включення тиристора, струм, що протікає через нього, повинен бути обмежений зовнішнім опором навантаження, інакше при досить високому струмі тиристор вийде з ладу. У включеному стані перехід J2 зміщений в прямому напрямку (рис. 5, в), і падіння напруги приблизно дорівнює сумі напруг на одному прямозміщеному p-n переході і напруги колектор-емітер насиченого транзистора.

Двотранзісторна модель використовується не тільки для вивчення і опису процесів, що відбуваються в тиристорі. Включення p-n-p і n-p-n реальних транзисторів за наведеною схемою є схемотехнічним аналогом тиристора і іноді використовується в електронній апаратурі.

Режим прямої провідності[ред.ред. код]

Коли тиристор знаходиться у відкритому стані, всі три переходи зміщені в прямому напрямку. Дірки інжектуються з області p1, а електрони — з області n2, і структура n1-p2-n2 поводиться аналогічно насиченому транзистору з віддаленим доданими контактом до області n1. Отже, прилад в цілому аналогічний p-i-n-діоду (p + -i-n +).

Ефект dU / dt[ред.ред. код]

При подачі напруги прямої полярності на анод і катод тиристора зі швидкістю понад деякої критичної dU / dt> dUкріт / dt відбудеться відкривання p-n-p-n структури. Механізм цього ефекту обумовлений наявністю паразитної ємності анод — керуючий електрод. Даний ефект обмежує використання тиристорів в високочастотних схемах, хоча іноді застосовується для управління тиристором. Параметр dUкріт / dt вказується в довідниках на кожну модель тиристора.

Ефект di / dt[ред.ред. код]

Якщо струм, що протікає через тиристор в прямому напрямку (у відкритому стані) буде зростати зі швидкістю більшою ніж деяка критична di/dt > diкрит/dt, то відбудеться руйнування структури і вихід тиристора з ладу, що пояснюється обмеженим ростом площі протікання носіїв заряду, збільшенням густини струму і локальним тепловим пробоєм. Параметр diкрит/dt є довідковим і вказується в каталогах для кожного типу тиристора.

Характеристики тиристорів[ред.ред. код]

Сучасні тиристори виготовляють на струми від 1 мА до 10 кА; на напруги від декількох вольт до декількох кіловольт; швидкість наростання в них прямого струму досягає 109 А/с, напруги — 109 В/с, час включення складає величини від декількох десятих долей до декількох десятків мікросекунд, час вимикання — від декількох одиниць до декількох сотень мікросекунд; ККД досягає 99 %. До поширених вітчизняних тиристорів можна віднести прилади КУ202 (25-400 В, струм 10 А), до поширених імпортних — MCR100 (100—600 В, 0.8 А), 2N5064 (200 В, 0.5 A), C106D (400 В, 4 А), TYN612 (600 В, 12 А), BT151 (800 В, 7.5-12 А) та інші. Також слід пам'ятати, що не всі тиристори допускають подачу зворотної напруги тієї ж величини що й прямої.

Класи тиристорів[ред.ред. код]

Див. також[ред.ред. код]