Тиристор — напівпровідниковий прилад з трьома і більше p-n-переходами вольт- амперна характеристика якого має ділянку з відємним диференціальним опором і який використовується для переключення. Структура тиристора показана на малюнку 1. Тиристор представляє собой чотирьохслойний р 1 -n 1 -р 2 -n 2 -прибор, маючий в собі три послідовно зєднаних p-n-переходи (П 1 , П 2 і ). Обидві зовнішні області називають емитерами (Е 1 і Е 2 ), а внутрішні області — базами (Б 1 і Б 2 ) тиристора. Переходи П 1 і П 2 називаются емітерними, перехід — колекторним переходом
рисунок 1 Схема диодного тиристора: а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма при нульві напрузі; в) залежність напруги електричного поля від координати Пристрій без управляючих электродів працює як двохполюсник і називається діодним тиристором (діністором) Пристрій з управляючим електродом є трьохполюсником і називається тріодним тиристором (тріністором).
рисунок 2 Схема (а) Корпус пристрою (б) Характеристики (в) Схематичне позначеня тріодного тиристора (г) 7.2. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора На малюнку 2 показана схема тріодного тиристора з керуючими електродами p корпусом пристрою і характеристики тиристора. Керуючий електрод може бути підключений до любої із баз (Б 1 і Б 2 ) тиристора, як показано на рисунку 2. Управляючі тиристори використовуються для коммутування високих значень струмів, напруг і потужностей. Тому корпуса тиристорів, як правило, являються достатньо масивнми і в багатьох випадках є з вбудованними радіаторами для поліпшення тепловідвода. На рисунку 2б показана топологія корпуса тиристора малої потужності. Для коммутації потужностей важливими параметрами є час включення і виключення тиристора. Характерні значення цих часів для тиристорів лежать в мікросекундному відрізку. На рисунку 2в в якості прикладу наведені характеристики для тріодного тиристора КУ208. При розробці тиристора в якості першочергового матеріалу вибирається підложка n- або р-типу. Привичний профіль легуючої суміші в дифузійно-сплавному пристрої показан на малюнку 3. В якості першочергового матеріалу вибирана підложка n-типу. Дифузією з обох сторін підложки одночас створюють шари р 1 і р 2 . На кінцеві стадії шляхом сплавлення з одної сторони підложки створюють шар n 2 . Структура полученого тиристора має вигляд p 1 + -n 1 -p 2 -n 2 + .
Рис. 7.3. Профіль концентрації легуючої домішки (N A ,D ) в емітерах і базах тиристора [10] 7.2. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора Вольт-амперна характеристика діодного тиристора, показана на рис. 7.4, має декілька різних відрізків. Пряме зміщення тиристора відповідає позитивні напрузі V G , яка подається на перший p 1 -емітер тиристора. Відрізок характеристики між точками 1 і 2 відповідає закритому стані з високим опором. В цьому випадку основна частина напруги V G падає на колекторному переході П 2 , який змінюється в протилежному напрямі . Емітерний переходи П 1 і П 2 включені в прямому напрямі. Перший відрізок ВАХ тиристора аналогічний протилежні гілці ВАХ p-n-перехода. При досягнені напруги V G , називаємої напруги включення U вкл , або струму J, називаємого струмом включення J вкл , ВАХ тиристора переходить на відрізок між точками 3 і 4, які відповідають відкритому стані . Між точками 2 і 3 находиться перехідний відрізок характеристики з відємним диференціальним опором, не спостережені на статичних ВАХ тиристора.
Рис. 7.4 ВАХ тиристора: V G — напруга між анодом і катодом; I у , V у — мінімальний утримуючий струм і напруга; I в , V в — струм і напруга включення. 7.2.1. Феноменологічне опис ВАХ динистора Для пояснення ВАХ динистора використовують двотранзисторную модель. Із рис. 7.5 виходить, що тиристор можна розглядати як зєднаний p-n-р-транзистор з n-p-n-транзистором, причому колектор кожного із них зєднаний з базою іншого. Центральный перехід діє як колектор дирок, инжекованих переходом П 1 , і як колектор електронів, інжекованих переходом П 2 .
Рис. 7.5. Двотранзисторна модель діодного тиристора Взаємозвязок між струмами емітера I е , колектора I к статичними коефіцієнтами підсилення по струму ? 1 р 1 -n 1 -р 2 -транзистора і ? 2 n 2 -р 1 -n 1 -транзистора наступна. Показуючи динистор як два транзистора, запишем наступне відношення. Нехай I П1 — струм через перехід П 1 . Тоді частина струму I П1 ,яка дійшла до колекторного переходу П 3 I П1> , буде дорівнювати ; (7.1) Якщо — струм через перехід П 2 , аналогично: ; (7.2) Врахуєм що один фактор — лавинне помноженя в переході через коефіцієнт лавинного помноження М. Тоді суммарний струм через перехід буде дорівнювати: (7.3) де — зворотній струм переходу (генераційний і тепловий). В стационарному випадку струми через переходи , і рівні, тоді: (7.4) Звідси: ; (7.5) де ? = — сумарний коефіцієнт передачі струму першого (p 1 -n 1 -p 2 ) і другого (n 2 -p 2 -n 1 ) транзисторів. Вираз (7.5) в цьому виді описє ВАХ діодного тиристора на «закритому» відрізку, оскільки коефіцієнти М і ? залежать від прикладеної напруги V G . По мірі росту ? і М з ростом V G , коли значення М(? 1 + ? 2 ) стане рівне 1, із виразу (7.5) виходить, що струм I > ?. Ця умова і є умовою переключення тиристора із стану «закрито» в стан «відкрито». Напруга переключення становить у тиристорів від 20—50 до 1000—2000 В, а струм переключення — віл долей мікроампера до одиниць міліампера (в залежності віл площадки). Таким чином, в стані «закрито» тиристор повинен характеризуватися малими значеннями ? і М, а в стані «відкрито» — великим значеннями коефіцієнтів ? і М. В закритому стані (? — мале) вся прикладена напруга попадає на колекторному переході , і струм тиристора — це струм зворотньозміщеного p-n-переходу. Енергетична діаграма тиристора в стані рівноваги приведена на рис. 7.6, а в режимі прямого зміщеня («+» — на шарі р 1 ) в закритому стані представлена на рис. 7.6б.
Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П 1 и П 3 будут смещены в обратном направлении, а П 2 — в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных p-n- переходов.