Тиристоры и некоторые другие ключевые приборы

кремний, так как у кремниевых переходов благодаря большей роли процессов генерации - рекомби­нации коэффициент инжекции при малых токах близок к нулю и с ростом тока увеличивается весьма медленно. Еще одним преимуществом кремния является малая величина тока в запер­том состоянии прибора. Однако, с другой стороны, кремниевые переходы характерны большей величи­ной прямого напряжения и большим сопротивлением слоев. Это ухудшает параметры динистора в открытом состоянии.

Рис. 5. Структура тринистора.

Чтобы ослабить зависимость  (I) при малых то­ках (особенно у германиевых структур), часто шун­тируют эмиттерный переход небольшим сопротив­лением R. Тогда значительная часть общего тока ответвляется в это сопротивление, минуя эмиттер. Тем самым эмиттерный ток, а вместе с ним и коэффициент а при прочих равных условиях умень­шаются.

В последнее время одну из баз динисторов обычно легируют золо­том. Цель такого легирования - уменьшить время жизни и тем самым время переключения. При этом одновременно возрастает отношение w/L (поскольку L =(d^), а значит, и коэффициент , что опять-таки способствует повышению напряжения переключения.

Тринистор. Снабдим одну из баз динистора, например п₁, внеш­ним выводом и используем этот третий электрод для задания дополни­тельного тока через переход p₁-n₁ (рис. 5) (Реальные четырехслойные структуры характерны различной толщиной баз. В качестве управляющей используется тон­кая база, у которой коэффициент передачи _ близок к единице.). Тогда получится прибор, обладающий свойствами тиратрона. Для такого прибора (тринистора) принята та же терминология, что и для обычного тран­зистора: выходной ток называется коллекторным, а управляющий — базовым. Эмиттером считается слой, примыкающий к базе, хотя с физической точки зрения эмиттером является и второй внешний слой (в нашем случае п₂). Условное обозначение тринистора вместе с семей­ством характеристик показано на рис. 6. Как видим, увеличение управляющего тока I_б приводит прежде всего к уменьшению напряже­ния прямого переключения. Кроме того, несколько возрастает ток прямого переключения, а ток обратного переключения уменьшается.В результате отдельные кривые с ростом тока I_б как бы «вписываются» друг в друга вплоть до полного исчезновения отрицательного участка (такую кривую называют спрямленной характеристикой).

Элементарный анализ тринистора можко провести, исходя из формулы (1), в которой нужно положить I_п3 = I_п2 = I_k и I_п1 = I_k + I_б. Тогда вместо формулы (2) получим для тока I_k более общее выражение

I_k = (MI_k0+(M₁)I_б)/(1-M

Здесь по-прежнему  = _ + _ — суммарный коэффициент пере­дачи, в котором составляющая _ является функцией тока I_k, а состав­ляющая _- функцией суммы токов I_k + I_б. Задавая положительный ток I_б, мы тем самым задаем начальное значение коэффициента _ (при I_k ==0). Поэтому любому току I_k будет соответствовать большее значение , а значит, и большее значение а, чем при I_б = 0.

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики тринистора при положительном токе базы.

Решая (10) относительно M и используя выражение для характеристики в области ионизации, не-. трудно представить вольт-амперные характеристики тринистора в форме U_к (I_к):

U_к =U_m[(1-  I_к + I_к0 +₁I_б)/ I_к]^1/n (11)

В частном случае, при I_б = 0, получается характеристика динистора (3). Выражение (11) ясно показывает, что данному току I_к соответствует тем меньшее напря­жение U_k, чем больше ток I_б (рис.6). Рассмотрим отдельные уча­стки этого семейства.

На начальном участке мы имеем по существу семейство характерис­тик обычного транзистора в схеме ОЭ.

Координаты точек прямого переключения определяются, как и в динисторе, условием dU_k/dI_k, == 0. Анализ показывает, что ток I_п.п возрастает с увеличением тока базы.

На рис. 7 показана пусковая характеристика тринистора, т. е. зависимость U_п.п (I_б).

Координаты точки Н, в которой напряжение на коллекторном переходе П₂ падает до нуля, определяются условием U_k = 0 в формуле (11).

Так же как в динисторе, можно в этой точке считать   1 и опре­делять ток I_н из условия

₁(I_н + I_б)+₃(I_н)==1. (12)

Отсюда видно, что увеличение тока I_б, а значит, и коэффициента ₁ сопровождается уменьшением коэффициента ₃, а значит, и тока I_н. Соответственно несколько меньше будет и ток I_o.п в точке обратного переключения.

Параметры тринистора в открытом состоянии практически не отличаются от параметров динистора, поскольку ток I_k в этой области значительно больше тока I_б, и поэтому токи обоих крайних переходов почти одинаковы.

Рис. 7. Пусковая характеристика тринистора

До сих пор мы рассматривали кривые с параметром I_б >0. При этом подразумевалось, что источник базового тока представляет собой э. д. с. E_б < О, включенную последовательно с сопро­тивлением R_б (см. рис. 6). В частном случае, при I_б=0, можно было считать E_б = 0; r_б =  . Теперь рассмотрим работу тринистора в условиях обратно­го смещения (E_б > 0) (рис. 8). Пусть э. д. с. E_б достаточно велика и эмиттерный переход заперт. Тогда тринистор превращается в транзистор п₁-р₂-п₂ (с оборванной базой p₂), который включен последовательно с сопротивлением R_б и питается напряжением E_б + U_k. Коллекторный ток при таком включении будет током транзистора в схеме ОЭ с оборван­ной базой:

I_k=MI_k0/(1-M₃)

где ₃ - коэффициент передачи тока от перехода П₃ к переходу П₂. Реальное запирающее смещение на эмиттерном пере­ходе будет меньше, чем э. д. с. E_б, на величину I_k R_б. С ростом тока I_k смеще­ние будет уменьшаться, и при некотором токе I₀, когда E_б - I₀R_б = 0, эмиттерный переход отопрется. После этого базовый ток будет иметь неизменную отрицательную величину:

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики тринистора при отрицательном токе базы.

I_б= -I₀= -E_б/R_б (13)

которую можно считать параметром соответствующей характеристики. Если в формуле (11) положить ₁= и = ₃ и подставить I_k = I₀, можно получить напряжение отпирания эмиттерного перехода:

U₀ =U_M [1-(₃ I₀ + I_k0)/ I₀]^1/n (14)

Из формулы (13) видно, что ток I₀, равный параметру кривой (току I_б), возрастает вместе с модулем параметра. Что касается напря­жения U₀, то оно несколько увеличивается.

Ток обратного переключения можно найти из уравнения (12), если считать I_нI_о,п В случае малых отрицательных токов базы ток I_о,п заметно больше тока I₀I_б. При больших токах I_б эта разница уменьшается. Отношение I_о,п/I_б можно назвать коэф­фициентом усиления при выключении; он определяется .величиной а₁/(а-1) и в обычных тринисторах не превышает (1). Очевидно, что с точки зрения управляемости при запирании суммарный коэффициент передачи а не следует делать намного большим единицы.

На рис. 9, а показана типичная схема включения тринистора, а на рис. 9, б - ее рабочий цикл. Пусть E_k < U_п,по. Тогда в запер­том состоянии и при токе I_б = 0 рабочей точкой будет точка а. Увели­чивая ток I_б до значения I_б1, мы вызовем скачкообразный переход рабочей точки из положения a₁ в положение b. В этом открытом состоя­нии тринистора падение напряжения на нем составляет всего лишь около 1 в, как и в динисторе. Поэтому ток нагрузки практически равен E_k/R_k. Для того чтобы запереть тринистор, т. е. вернуться в точку а, нужно либо уменьшить ра­бочий ток до величины I_k < I_o.п

Рис 9. Типовая схема включения тринистора (а) и ее рабочий цикл (б)

(путем понижения пи­тающего напряжения), либо задать в базу отрица­тельный импульс тока. Оба случая иллюстрируются пунктирными линиями на рис. 9, б.

В первом случае рабочая точка скачком переходит из положения b₁ в положение a₂, а затем (после восстановления Э. Д. С. E_k) - в исходную точку а. Во вто­ром случае из точки b происходит скачок в точку a₃, а затем (по окон­чании запирающего импульса) возвращение в точку а. Первый путь известен из тиратронной техники, второй специфичен для тринистора, так как тиратрон нельзя погасить со стороны сетки. Правда, базо­вый ток «гашения» в тринисторе оказывается сравнительно большим из-за малого коэффициента усиления при выключении.

Основная тенденция при разработке современных тринисторов состоит в повышении рабочих токов и, напряжений с тем, чтобы заменить соответствующие газоразрядные приборы (газотроны и тиратроны). В настоящее время рабочие токи тринисторов лежат в пределах 1 000— 2 000 а, а рабочие напряжения — в пределах 2—3 кв. При прочих равных условиях динисторы и тринисторы значительно превосходят газоразрядные приборы по коэффициенту полезного действия, а также по габаритам, весам и сроку службы.

Мощные тринисторы используются в качестве контакторов, ком­мутаторов тока, а также в преобразователях постоянного напряжения, инверторах и выпрямительных схемах с регулируемым выходным напряжением.

Времена переключения у тринисторов значительно меньше, чем у тиратронов. Даже у мощных приборов (с токами в десятки ампер и больше) время прямого переключения составляет около 1 мксек,а время обратного переключения не превышает 10—20-мксек. Следует заметить, что наряду с конечной длительностью фронтов напряжения и тока имеют место задержки фронтов по отношению к моменту подачи управляющего импульса.

Наряду с мощными тринисторами разрабатываются и маломощные высокочастотные варианты. В таких приборах время прямого пере­ключения может составлять десятки, а время обратного переключе­ния — сотни наносекунд. Столь высокое быстродействие обеспечи­вается малой толщиной слоев и наличием электрического поля в тол­стой базе. Маломощные быстродействующие тринисторы исполь­зуются в различных спусковых и релаксационных схемах.