Тиристор

Тиристор

Тиристор – полупроводниковый прибор, изготовленный на базе монокристалла полупроводника, имеющего четырехслойную структуру p-n-p-n-типа, имеющий свойства электрического вентиля и обладающий нелинейной разрывной вольтамперной характеристикой (ВАХ). С крайними областями монокристалла соприкасаются силовые электроды (СЭ) – катод и анод, от одного из промежуточных слоев выводят электрод управления (УЭ).

К СЭ присоединяют устройства теплоотвода и токоподводы силовой цепи. В случае, когда к СЭ приложено напряжение прямой полярности, первый и третий электронно-дырочные переходы дают смещение в прямом направлении, а второй смещается в обратном направлении. Через первый и третий переходы в области, примыкающие ко второму переходу, инжектируются вторичные носители, которые, уменьшая сопротивление второго перехода, увеличивают протекающий через него ток и уменьшают на нем падение напряжения. При увеличении прямого напряжения ток через тиристор вначале нарастает медленно. В этом режиме тиристор можно считать закрытым, так как сопротивление второго перехода еще достаточно велико. По мере возрастания напряжения на тиристоре понижается доля напряжения, которая падает на втором переходе, и быстрее увеличиваются напряжения на первом и втором переходах, что вызывает дальнейшее увеличение тока, протекающего через тиристор, а также усиление инжекции неосновных носителей в область третьего перехода. При значении напряжения, называемого напряжением переключения, процесс становится лавинообразным, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью, т. е. включается и в нем устанавливается ток, который определяется напряжением источника питания и сопротивлением внешней цепи.

Процесс мгновенного переключения тиристора из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью легко объясняется, если рассматривать тиристор как комбинацию двух транзисторов, включенных навстречу друг другу. Крайние области монокристалла считаются эмиттерами, а средние – коллектором одного и одновременно базой для другого транзистора. Ток, протекающий во внешней цепи тиристора, является током первого и второго эмиттеров.

Любой тиристор характеризуется предельно допустимым значением прямого тока, при котором на устройстве будет падать небольшое остаточное напряжение. Если же уменьшать ток через тиристор, то при некотором его значении, называемом удерживающим током, тиристор закрывается – переходит в состояние с низкой проводимостью.

При напряжении обратной полярности кривая зависимости тока от напряжения выглядит точно так же, как аналогичная часть ВАХ полупроводникового диода.

Описанный способ включения тиристора применяют в приборах, называемых вентилями-переключателями или динисторами. Однако наибольшее распространение получили тиристоры, которые включаются подачей в цепь УЭ импульса тока конкретной длительности и величины при положительной разности потенциалов между катодом и анодом.

Особую группу составляют фототиристоры, переключение которых в состояние с высокой проводимостью производятся световым воздействием.

Выключение тиристора осуществляют либо снижением тока через тиристор до значения удерживающего тока, либо изменением полярности напряжения на его СЭ.

В соответствии с областью использования различают тиристоры с односторонней проводимостью, с двухсторонней проводимостью или симметричные, импульсные, быстродействующие, высокочастотные, специальные и двухоперационные.

Полупроводниковый элемент тиристора производят из кремниевых монокристаллических пластин, вводя в Si добавки Р, Al и В. При этом в основном применяют сплавную и диффузионную технологию. Конструктивно тиристоры изготавливают в герметичном корпусе; для устранения тепловых напряжений, появляющихся из-за различия коэффициентов расширения Si и Cu, и для обеспечения механической прочности, между электродами и кристаллом устанавливают термокомпенсирующие молибденовые или вольфрамовые диски. Различают тиристоры штыревой конструкции – в металлокерамических и металлических корпусах, таблеточные, с двухсторонним отводом тепла и прижимные, с отводом тепла с одной стороны тиристора. Главные конструкции тиристора – штыревая и таблеточная. Тиристоры на токи до 500 А производят с воздушным охлаждением, на токи свыше 500 А – с водяным.

Современные тиристоры производят на напряжения от нескольких вольт до нескольких киловольт токи от 1 мА до 10 кА; в них скорость нарастания напряжения – 109 В/с, прямого тока достигает 109 А/с, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков микросекунд, КПД достигает 99%.

Тиристоры используются в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии, усилительных и исполнительных элементов в системах автоматического управления, элементов памяти и ключей в различных электронных устройствах и т. п., где они совместно с другими полупроводниковыми приборами к середине 70-х гг. XX в. в большинстве своем заменили ионные и электронные вентили.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.