Тиристор

Рис. 6. Режим зворотнього запирання тиристора

Два основні чинники обмежують режим зворотного пробою і прямого пробою:

1) пробій;

2) прокол збідненої області.

У режимі зворотного запирання до анода прикладено негативну, по відношенню до катода, напругу; переходи J1 і J3 зміщені у зворотному напрямку, а перехід J2 зміщений у прямому (див. рис. 6). У цьому випадку велика частина прикладеної напруги спадає на одному з переходів J1 або J3 (в залежності від ступеня легування різних областей). Нехай це буде перехід J1. Залежно від товщини Wn1 шару n1 пробій викликається лавинним множенням (товщина збідненої області при пробої менше Wn1) або проколом (збіднений шар поширюється на всю область n1, і відбувається змикання переходів J1 і J2).

При прямому запиранні напруга на аноді є позитивною по відношенню до катода і зворотньо зміщений лише перехід J2. Переходи J1 і J3 зміщені в прямому напрямку. Велика частина прикладеної напруги спадає на переході J2. Через переходи J1 і J3 в області, що примикають до переходу J2, инжектуються неосновні носії заряду, які зменшують опір переходу J2, збільшують струм через нього і зменшують падіння напруги на ньому. При підвищенні прямої напруги струм через тиристор спочатку росте повільно, що відповідає ділянці 0-1 на ВАХ. В цьому режимі тиристор можна вважати закритим, оскільки опір переходу J2 все ще є дуже великим. У міру збільшення напруги на тиристорі знижується частка напруги, що спадає на J2, і швидше зростають напруги на J1 і J3, що викликає подальше збільшення струму через тиристор і посилення інжекції неосновних носіїв заряду в область J2. При деякому значенні напруги (близько десятків або сотень вольт), що називається напругою перемикання VBF (точка 1 на ВАХ), процес набуває лавиноподібного характеру, тиристор переходить в стан з високою провідністю (відкривається), і в ньому встановлюється струм, який визначається напругою джерела і опором в зовнішньому колі.

Рис. 7. Двотранзисторна модель тріодного тиристора, з'єднання транзисторів і співвідношення струмів в p-n-p транзисторі

Для пояснення характеристик приладу в режимі прямого замикання використовується двотранзисторна модель тиристора. Тиристор можна розглядати як з'єднання p-n-p транзистора з n-p-n транзистором, причому колектор кожного з них з'єднаний з базою іншого, як показано на рис. 7. Центральний p-n перехід діє як колектор дірок, що інжектуються переходом J1, і електронів, що інжектуються переходом J3. Взаємозв'язок між струмами емітера ${\displaystyle I_{E}}$, колектора ${\displaystyle I_{C}}$, бази ${\displaystyle I_{B}}$ і статичним коефіцієнтом підсилення по струму ${\displaystyle \alpha _{1}}$ p-n-p транзистора також наведена на рис. 7, де ${\displaystyle I_{Co}}$ — зворотний струм насичення переходу колектор-база.

Аналогічні співвідношення можна отримати для n-p-n транзистора при зміні напрямку струмів на протилежний. З рис. 7 випливає, що колекторний струм n-p-n транзистора є одночасно базовим струмом p-n-p транзистора. Аналогічно колекторний струм p-n-p транзистора і керуючий струм ${\displaystyle I_{g}}$ втікають в базу n-p-n транзистора. В результаті, коли загальний коефіцієнт підсилення в замкнутій петлі перевищить одиницю, стане можливим лавиноподібний процес збільшення струму через структуру, при цьому напруга на приладі стане приблизно рівною 1 В, а струм буде обмежений лише опором зовнішнього кола.

Струм бази p-n-p транзистора дорівнює ${\displaystyle I_{B1}=(1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1}}$. Цей струм також протікає через колектор n-p-n транзистора.

Струм колектора n-p-n транзистора з коефіцієнтом підсилення ${\displaystyle \alpha _{2}}$ дорівнює${\displaystyle I_{C2}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.}$

Прирівнявши ${\displaystyle I_{B1}}$ і ${\displaystyle I_{C2}}$, отримаємо:

${\displaystyle (1-\alpha _{1})\cdot I_{A}-I_{Co1}=\alpha _{2}\cdot I_{K}+I_{Co2}.}$

Оскільки ${\displaystyle I_{K}=I_{A}+I_{g},}$ то:

${\displaystyle I_{A}={\frac {\alpha _{2}I_{g}+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})}}.}$

Рис. 8. Енергетична зонна діаграма в режимі прямого зміщення: стан рівноваги, режим прямого замикання і режим прямої провідності

Це рівняння описує статичну характеристику приладу в діапазоні напруг аж до пробою. Після пробою прилад працює як p-i-n-діод. Слід зазначити, що всі складові в чисельнику правої частини рівняння малі, отже, поки член ${\displaystyle \alpha _{1}+\alpha _{2}<1,}$ струм ${\displaystyle I_{A}}$ малий. Коефіцієнти

${\displaystyle \alpha _{1},}$${\displaystyle \alpha _{2}}$ залежать від ${\displaystyle I_{A}}$ і ростуть зі збільшенням струму аж до високих його величин. Якщо ${\displaystyle \alpha _{1}+\alpha _{2}=1,}$ то знаменник дробу в наведеній формулі для анодного струму прямує до нуля, струм зростає і відбувається прямий відновлюваний пробій (включення тиристора).

Якщо полярність напруги між анодом і катодом змінити на зворотну, то переходи J1 і J3 будуть зміщені у зворотному напрямку, а J2 — у прямому. За таких умов включення приладу не відбувається, оскільки як емітер носіїв заряду працює тільки центральний p-n перехід і лавиноподібний процес наростання струму стає неможливим.

Ширина збіднених шарів і енергетичні зонні діаграми в рівновазі, в режимах прямого замикання і прямий провідності, показані на рис. 8. При нульовій напрузі на приладі збіднена область кожного переходу і контактні потенціали визначаються тільки профілем розподілу домішок. Коли до анода прикладена позитивна напруга, перехід J2 прагне зміститися в зворотному напрямку, а переходи J1 і J3 — в прямому. Падіння напруги між анодом і катодом дорівнює алгебраїчній сумі падінь напруги на переходах: ${\displaystyle V_{AK}=V_{1}+V_{2}+V_{3}}$. При підвищенні напруги зростає струм через прилад, отже збільшуються ${\displaystyle \alpha _{1}}$ і ${\displaystyle \alpha _{2}.}$

Завдяки регенеративному характеру цих процесів прилад зрештою перейде у відкритий стан. Після включення тиристора, струм, що протікає через нього, повинен бути обмежений зовнішнім опором навантаження, інакше при досить високому струмі тиристор вийде з ладу. У включеному стані перехід J2 зміщений в прямому напрямку (рис. 8, в), і падіння напруги${\displaystyle V_{AK}=V_{1}-|V_{2}|+V_{3}}$ приблизно дорівнює сумі напруг на одному прямозміщеному p-n переході і напруги колектор-емітер насиченого транзистора.

Двотранзісторна модель використовується не тільки для вивчення і опису процесів, що відбуваються в тиристорі. Включення p-n-p і n-p-n реальних транзисторів за наведеною схемою є схемотехнічним аналогом тиристора і іноді використовується в електронній апаратурі.

Коли тиристор знаходиться у відкритому стані, всі три переходи зміщені в прямому напрямку. Дірки інжектуються з області p1, а електрони — з області n2, і структура n1-p2-n2 поводиться аналогічно насиченому транзистору з віддаленим доданими контактом до області n1. Отже, прилад в цілому аналогічний p-i-n-діоду (p + -i-n +).

Якщо напруга прямої полярності між анодом і катодом тиристора зростає зі швидкістю понад деяку критичну dU/dt > dU_крит. /dt відбудеться відкривання p-n-p-n структури. Механізм цього ефекту обумовлений наявністю паразитної ємності анод — керуючий електрод. Даний ефект обмежує використання тиристорів в високочастотних схемах, хоча іноді застосовується для управління тиристором. Параметр dU_крит. /dt вказується в довідниках для кожної моделі тиристора.

Якщо струм, що протікає через тиристор в прямому напрямку (у відкритому стані) буде зростати зі швидкістю більшою ніж деяка критична di/dt > di_крит/dt, то відбудеться руйнування структури і вихід тиристора з ладу, що пояснюється обмеженим ростом площі протікання носіїв заряду, збільшенням густини струму і локальним тепловим пробоєм. Параметр diкрит/dt є довідковим і вказується в каталогах для кожного типу тиристора.