Основные физические процессы. Принцип действия

Рассмотрим основные процессы на примере диодного тиристора, ВАХ которого соответствует рис. 5.1, в при /у = 0.

В режиме обратного запирания переходы П1 и П3 (см. рис. 5.1, а) смещены в обратном направлении, а переход П2 — в прямом. Если распределение примесей в областях тиристора соответствует рис. 5.1, б, то переход П| будет значительно толще, чем П3 (см. п. 2.2), и большая часть напряжения, создаваемого на тиристоре протекающим током /, падает на переходе Пг В зависимости от размеров области пх и напряжения на ней толщина обедненного слоя занимает либо часть, либо всю область п1. В последнем случае происходит смыкание переходов П| и П2. Ток на участке 0—4 ВАХ определяется сопротивлениями обратносмещенных переходов П, и П3. Допустимое падение напряжения на тиристоре ограничивается ударной ионизацией в переходе П| и смыканием базы я, Напряжение пробоя в тиристоре ниже напряжения пробоя обратносмещенного изолированного эквивалентного р—п перехода П, Это обусловлено тем, что в тиристоре переход П, связан с соседним переходом П2 и образует транзистор р,—л1—р2 с разомкнутой базой, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Напряжение пробоя (С/проб) уменьшается из-за влияния этого транзистора (см. п. 4.3).

В режиме прямого запирания напряжение на аноде положительно по отношению к катоду, переходы П, и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 — в обратном. Падение напряжения между анодом и катодом тиристора равно сумме падений напряжения на переходах, т. е. VА = 111 + и2 + из. Большая часть приложенного напряжения падает на переходе П2 и лишь незначительная — на переходах Пх и П3. Для понимания характеристик в рассматриваемом режиме воспользуемся двухтранзисторной моделью тиристора, в которой тиристор рассматривается как соединение р—п—р и п—р—л транзисторов. Коллектор каждого из этих транзисторов соединен с базой другого (рис. 5.2). Здесь

Рис. 5.2

представлена двухтранзисторная модель для триодного тиристора (рис. 5.2, а — структурная схема, рис. 5.2, б — схемное включение). Переход П2 является коллектором для дырок и электронов, инжектируемых соответственно из области р, и п2. Полный ток, протекающий через переход П2, определяется токами инжекции этих носителей и собственным обратным током (см. п. 2.3).

При разомкнутой цепи управляющего электрода токи инжекции через переходы П1 и П3 в основном ограничены малым прямым напряжением на них из-за большого сопротивления обратносмещенного перехода П2. Пользуясь соотношениями п. 4.2, можно составить выражение для тока базы транзистора УТ1 (см. рис. 5.2, б):

Здесь а, — статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора УТ,; /К01 — обратный ток перехода коллектор — база транзистора УТР Ток /Б1 протекает через коллектор транзистора УТ2 (см. рис. 5.2, б) и /Б1 = /К2.

С другой стороны, коллекторный ток /К2 транзистора УТ2 можно определить через ток катода /к из известного выражения (см. п. 4.2):

где а2 — статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора УТ2; /К02 — обратный ток коллекторного перехода транзистора УТ2. Если в цепи управляющего электрода протекает ток /у, то ток катода равен /к = /А 4- /у. Учитывая это равенство и приравняв выражения (5.1) и (5.2), получим

Если напряженность электрического поля в переходе П2 достаточна для размножения носителей за счет ударной ионизации (см. п. 2.3), а I = 0, то соотношение (5.3) можно записать в виде

где М — коэффициент размножения носителей.

описывают статическую БАХ тиристора при напряжениях на аноде, меньших или равных 1/вкл. Коэффициенты ах и а2 сильно зависят от величины тока. На участке 0—1 ВАХ (см. рис. 5.1, в), пока ток и напряжение анода невелики, (а! + а2) <1 и анодный ток определяется током /ко. С повышением напряжения на аноде возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П3, что приводит к увеличению инжекции через эти переходы и росту а, и а2. Дырки, инжектированные из области р1, проходят через переход П2 и повышают потенциал базы р2 за счет неравновесного положительного заряда, что увеличивает инжекцию электронов из области п2. Эти электроны, попадая в базу п1$ снижают ее потенциал, увеличивая тем самым инжекцию из области рх. В результате в тиристоре возникает положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному увеличению анодного тока при некотором напряжении и = 1/вкл.

При и = Г/вкл выполняется соотношение (а, + а2) — 1. При лавинообразном нарастании анодного тока через переход П2 протекает значительный ток, и его сопротивление резко падает. Напряжение источника питания перераспределяется таким образом, что падение напряжения на резисторе в анодной цепи (см. рис. 5.1, а) возрастает, а напряжение на аноде тиристора уменьшается в соответствии с соотношением иА = ЛА - ІЯ. Тиристор переходит в режим, соответствующий участку 1—2 ВАХ (см. рис. 5.1, в), который в области точки 2 является неустойчивым. Переход из этого режима в режим прямой проводимости (участок 2—3 ВАХ) происходит, как правило, скачком. На участке 2—3 ВАХ переход П2 из-за неравновесного заряда, накопленного в базах, открывается и переходит в режим насыщения. В этом режиме проводимость тиристора велика, а падение напряжения на нем мало. Оно определяется суммой падений напряжений на трех прямосмещенных р—"переходах Пр П2, П3, падением напряжения на базах, рх- и л2-областях и выводах (см. рис. 5.1, а). Суммарное падение напряжения на включенном тиристоре составляет 1. 2 В.

Рассмотрим особенности включения тиристора при наличии размножения носителей в переходе П2. Если предельные величины (X, и а2 малы, напряжение на переходе П2 может достигнуть величины £/проб. В этом случае носители заряда, перемещающиеся через переход П2, приобретут энергию, достаточную для лавинного умножения. Дырки, рожденные в переходе, добавляются к дыркам, инжектированным через переход П1э и перемещаются к переходу П3, электрическое поле которого является ускоряющим для них. Электроны двигаются в противоположном направлении, т. е. к аноду. В результате рождения в переходе П2 пар зарядов проводимость его увеличивается, а сопротивление падает, что приводит к уменьшению падения напряжения и2 на нем и увеличению напряжения на переходах П| и П3. Это, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок и электронов из областей рх и л2, т. е. размножение носителей в переходе П2 идет еще более интенсивно, и далее процесс повторяется. Таким образом, число носителей, перемещающихся через прибор, лавинообразно увеличивается, коэффициенты оц и а2 растут, произведение М(а, + а2) в (5.4) приближается к единице и происходит включение тиристора.

Для коэффициента умножения М в зависимости от приложенного напряжения и и напряжения пробоя (Упроб перехода П2 можно воспользоваться эмпирическим соотношением вида М = [1 - <С//С/проб) т ]- 1 , где принято 1/ = (/вкл. Тогда М(а 4- /ш). Ток через переход П3 /1 "

/0ехр(£/уК/<рг), а через шунт /ш = иуК/Яш. Если допустить, что а2 зависит от /1 согласно кривой 1 на рис. 5.3, б, то зависимость а2эф от Л будет соответствовать кривой 2 (для Лш = = 5 • 10 3 Ом). В результате а2эф увеличивается за счет одновременного возрастания а2 и произведения

что и вызывает переключение тиристора. На практике шунт формируется за счет частичного перекрытия катодным контактом области р2

(рис. 5.3, в). Такой тиристор называется тиристором с закороченным катодом. Следовательно, включением тиристора можно управлять, изменяя напряжение 17у к (ток /у) (см. рис. 5.1, в).