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 Е_пер 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 Е_пер 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 Е_пер. На рис.2 это отмечено наличием поля избыточных зарядов Е_изб. 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 U_вкл, 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 U_вкл 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 Е_изб > Е_пер, 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 I_уд, 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 I_уд – 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 U_вкл 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 U_вкл.

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 a _n или коэффициентами передачи тока базы b _p и b _n. Из схемы рис. 4,б следует, что управляющий ток I_у – это базовый ток I_Б2 транзистора VT2.

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

I_K2 = a _nI_Э2 = b _nI_у.

Ток I_K2 - базовый ток транзистора VT1 I_Б1, он вызывает инжекцию дырок через эмиттерный переход П1, в результате чего коллекторный ток VT1

I_K1 = a _pI_Э1 = b _pI_Б1 = b _pI_K2.

Ток I_K1 в сумме с током I_у создают ток I_Б2, то есть ток I_K1 увеличивает ток управления и потому является током внутренней ПОС. При наличии ПОС управляющий сигнал становится:

I_Б2 = I_у + I_K1 = I_у + b _pI_K2 = I_у + b _P b _nI_у. = I_у (1 + b _P b _n) (2.1)

Из (2.1) следует, что, сели b _p > 1 и b _n > 1, так, что b _P b _n >> 1, то в скобках (2.1) можно пренебречь единицей. Это означает, что при этом условии (b _P b _n >> 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:

I_П2 = I = a _pI_П1 + a _nI_П3 + I_KO, (2.2)

 

где I_П1, I_П2,, I_П3 – токи переходов П1, П2, П3; a _p, a _n – статические коэффициенты передачи токов эмиттера транзисторов VT1 и VT2; I_KO – обратный ток коллектора, он является общим для обоих транзисторов.

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

 

I_П1 = I_П2 = I_П3 = I (2.3)

Тогда полный ток динистора

 

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

где a = a _p + a _n – 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 и увеличения коэффициента лавинного размножения в коллекторном переходе.

По этим причинам статические коэффициенты передачи тока эмиттера a _p и a _n, а также суммарный коэффициент a = a _p + a _n, 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 – r_диф < 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:

a _pдиф + a _nдиф = 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 a _диф > 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 a _диф = a _pдиф + a _nдиф, 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 I_у, то во втором слагаемом (2.2) к току инжекции I_П3 через эмиттерный переход П3 надо добавить ток управления. После соответствующих преобразований вместо (2.4) получим:

 

(2.8)

Соотношение (2.8) показывает, что подача тока I_у >0 усиливает действие внутренней ПОС из-за увеличения инжекции катодным (управляющим) переходом тиристора. При этом за счет добавки a _nI_у собственный ток коллекторного перехода П2 в точке переключения будет меньше, чем при I_у =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.