Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-n-переходами, на вольт-амперной характеристике которого есть участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях – закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора высокое и он пропускает малый ток. В открытом состоянии сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток. Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором или динистором. Структура динистора представлена на рис. 1.2,а. Динистор имеет три р-n-перехода (,,) и два вывода, называемые катодом (К) и анодом (А). Тиристор можно представить, используя штриховые линии разреза, в виде модели, состоящей из двух транзисторов ( и ) типа n-р-n и р-n-р и соединенных, как показано на рис. 1.2,б. Тогда переходы , являются эмиттерными переходами условных транзисторов, а переход работает в обоих транзисторах как коллекторный переход [7].
Рисунок 1.2 - Структура динистора.
Двухтранзисторная модель диодного тиристора с условными обозначениями транзисторов и изображена на рис. 1.3. Эта модель позволяет свести рассмотрение тиристора к теории биполярных транзисторов с учетом связи, существующей в этой модели между транзисторами и . Эта связь имеет принципиальное значение и заключается в следующем. Коллекторный ток транзистора является базовым током транзистора (=) и поэтому увеличивает коллекторный ток транзистора , рассматриваемого в схеме включения с ОЭ. В свою очередь, коллекторный ток является базовым током транзистора (=) и увеличивает коллекторный ток этого транзистора . Так как = , то увеличение приведет к росту и т.д. Такой процесс принято называть положительной обратной связью. При выполнении некоторых условий эта связь может привести к недопустимо большому росту тока и разрушению прибора, если не принять меры по ограничению тока. Перейдем к составлению выражений для тока I в цепи тиристора [14].
Рисунок 1.3 - Двухтранзисторная модель диодного тиристора.
Полярность источника питания Е, показанная на рис. 1.2 и 1.3, соответствует так называемому прямому включению тиристора. В соответствии с транзисторной моделью тиристора ток в его внешней цепи можно представить как сумму коллекторных токов транзисторов и .:
Если и – интегральные коэффициенты передачи токов эмиттеров транзисторов и , а и их обратные токи, то
(1.1)
Но в неразветвленной цепи == I, следовательно,
(1.2)
где
(1.3)
Полный ток в коллекторном переходе тиристора, как следует из (1.2),
(1.4)
Ранее предполагалось, что в коллекторном переходе нет лавинного умножения носителей. Если значение обратного напряжения на переходе таково, что следует учитывать лавинное умножение, то все слагаемые тока через коллекторный переход следует умножить на коэффициент лавинного умножения М, значение которого будем для упрощения считать одинаковым для дырок и электронов. Таким образом, вместо (1.1) запишем [13]
а вместо (1.4)
(1.5)
Рассмотрим зависимость величин, входящих в (1.5), от напряжения на тиристоре и токов через переходы. Известно, что М очень сильно зависит от напряжения на переходе U по мере приближения его к напряжению лавинного пробоя , но при U0,5 можно считать М = 1. В германиевых транзисторах обратный ток коллекторного перехода является тепловым, его значение определяется концентрацией неосновных носителей в базовой и коллекторной областях. Однако тиристоры являются кремниевыми приборами, и поэтому тепловая составляющая тока оказывается незначительной по сравнению с током генерации в обедненной области перехода (области объемного заряда). Вследствие этого можно считать . При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе ширина перехода возрастает и происходит рост числа генерируемых носителей, а следовательно, тока и тока .
Коэффициенты передачи токов и зависят от токов эмиттеров транзисторов и соответственно и от их коллекторных напряжений. Зависимость от коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базовой области (эффект Эрли). С ростом этого напряжения коэффициенты и несколько увеличиваются. Однако в тиристоре основное влияние на их работу оказывает зависимость и от эмиттерных токов транзисторов и . При малых токах и соответствующие коэффициенты много меньше единицы (<<1, <<1), но затем при увеличении и могут существенно возрастать. Таким образом, можно учитывать лишь зависимость от тока эмиттера. С учетом сказанного функциональные связи можно представить в виде [13]
(1.6)
При этом в знаменателе вместо и подставлен равный им ток I.
Эта формула, учитывающая связи между транзисторами и модели, отражает наличие положительной обратной связи, о которой говорилось перед представлением формулы (1.5).
Для удобства изложения на рис. 1.4 сразу приведена характеристика динистора и указаны ее участки. Такую ВАХ называют S-образной. Для нее характерна неоднозначная зависимость тока от напряжения. Одному значению напряжения могут соответствовать два значения тока.
Рисунок 1.4 – Вольтамперная характеристика динистора
Для фиксации тока при измерениях любой точки ВАХ приходится включать во внешнюю цепь резистор (см. рис. 1.2) и подбирать его сопротивление так, чтобы была только одна точка пересечения В нагрузочной прямой и ВАХ (рис. 1.5). Эта точка пересечения и будет определять ток I и напряжение U = Е – I, которое измеряется вольтметром, присоединенным к выводам А и K тиристора [15].
Участок I соответствует положительному напряжению на аноде А. Для снятия этого участка ВАХ внешнее сопротивление может быть равно нулю, так что напряжение на тиристоре равно напряжению источника питания U = Е и изменяется вместе с ним.
Рисунок 1.5 – Нагрузочная прямая с пересечением вольтамперной характеристики динистора
При таком включении переходы и оказываются включенными в прямом направлении, а – в обратном. Такое включение называют прямым включением тиристора. Напряжение анод – катод U есть сумма напряжений на переходах:
(1.7)
Большая часть этого напряжения падает на среднем переходе , включенном в обратном направлении, и потому имеющем большое сопротивление. Прямые напряжения и малые, так что можно приближенно при прямом включении считать U.
Для анализа участка I ВАХ могут быть использованы формулы (1.5) и (1.6), выведенные для рассматриваемого режима работы. Однако следует иметь в виду, что формулой (1.6) можно пользоваться, пока справедливо неравенство (+) < 1. При (+)1 ток по формуле безгранично увеличивается, что лишено физического смысла. В левой части участка I, соответствующего напряжению , которое много меньше напряжения лавинного пробоя перехода, можно считать М1, а обратный ток перехода определяется в кремниевых тиристорах только генерацией пар носителей в самом переходе (). При малом токе в переходе , а, следовательно, и в эмиттерных переходах <<1, <<1 и (+)<<1, поэтому вместо (1.6) при М1 можно по правилам приближенных вычислений записать
(1.8)
Ток в цепи тиристора в этом случае определяется обратным током коллекторного перехода, т.е. генерационным током. С ростом напряжения U, т.е., коллекторный переход расширяется, его объем увеличивается и возрастает ток . Конечно, при этом одновременно возрастают и , но пока (+)<<1, это влияние можно практически не учитывать и считать, что .
Участок I с малыми токами соответствует состоянию тиристора «закрыто». При малых токах закрытого состояния, когда (+) < 1, положительная обратная связь в тиристоре относительно слабая и не вызывает неустойчивости; поэтому существует стационарный режим, характеризуемый формулой (1.8). В правой части участка I, если напряжение больше примерно половины напряжения лавинного пробоя, необходимо учитывать влияние на стационарный ток не только роста и , но и увеличение коэффициента умножения M(+)1 по сравнению с единицей. По мере приближения к напряжению лавинного пробоя (М1) роль положительной обратной связи возрастает и увеличивается скорость роста тока (производная dI/dU). Напряжением переключения называют значение, при котором дифференциальное сопротивление становится равным нулю. На рис. 1.4 это соответствует точке а – точке максимума функции U = f(I). Для нахождения дифференциального сопротивления перепишем (6.6) в более удобном для дифференцирования виде [5]:
(1.9)
После дифференцирования и преобразования получим
(1.10)
Выражения в скобках в числителе являются дифференциальными коэффициентами передачи токов эмиттеров:
(1.11)
(1.12)
Кроме того, из-за сравнительно слабой зависимости обратного (генерационного) тока от напряжения можно пренебречь первым слагаемым в знаменателе. Тогда вместо (6.10) можно.написать
(1.13)
Знаменатель (1.13) хотя и изменяется, но остается конечным, поэтому условием существования тока переключения (а), для которого по определению dU/dI = 0, из (1.13) будет
(1.14)
Строго говоря, надо проверить функцию U = f(I) в точке а на экстремальность. Для максимума должно выполняться дополнительное требование, чтобы <0. Используя для нахождения второй производной (1.13), получаем дополнительное к (1.14) условие
(1.15)
Физический смысл условия (1.15) состоит в следующем. Если ток во внешней цепи, равный току через эмиттерные переходы, увеличивается по какой-то причине (например, из-за увеличения напряжения источника питания или уменьшения сопротивления нагрузки) на , то при выполнении условия M(+)=1 из-за транзисторного эффекта ток коллекторного перехода также возрастет на такую же величину . Так обеспечивается одинаковость нового значения тока в последовательной цепи р-n-переходов структуры при прежнем токе , т.е. при неизменном напряжении на коллекторном переходе , чему соответствует вертикальный участок ВАХ около точки а на рис. 1.4. Дополнительное условие (1.15) математически означает, что в точке переключения, если она является экстремальной, сумма дифференциальных (или малосигнальных) коэффициентов передачи должна возрастать при увеличении тока I. Но тогда из условия (1.14) следует, что значение М при прохождении через точку переключения должно уменьшиться. Физически последнее возможно только при уменьшении обратного напряжения на среднем переходе , а это означает, что ВАХ после точки переключения а должна пойти влево, создавая участок II ВАХ на рис. 1.4. Последнее и наблюдается экспериментально [13].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
