Тиристор

Тиристор (от греч.(греческий) thýra — дверь, вход и англ.(английский) resistor — резистор), полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р—n—p—n-типа, обладающий свойствами вентиля электрического и имеющий нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ). С крайними слоями (областями) монокристалла контактируют силовые электроды (СЭ) — анод и катод, от одного из промежуточных слоев делают вывод электрода управления (УЭ).

  К СЭ подсоединяют токоподводы силовой цепи и устройства теплоотвода. В случае, когда к СЭ прикладывается напряжение прямой полярности U_np (как указано на рис. 1), первый (П₁) и третий (П₃) электронно-дырочные переходы смещаются в прямом направлении, а второй (П₂) — в обратном. Через переходы П₁ и П₃ в области, примыкающие к переходу П₂, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через Т. сначала растет медленно, что соответствует участку ОА на ВАХ (рис. 2). В этом режиме Т. можно считать запертым, так как сопротивление перехода П₂ всё ещё очень велико (при этом напряжения на переходах П₁ и П₃ малы, и почти всё приложенное напряжение падает на переходе П₂). По мере увеличения напряжения на Т. снижается доля напряжения, падающего на П₂, и быстрее возрастают напряжения на П₁ и П₂, что вызывает дальнейшее увеличение тока через Т. и усиление инжекции неосновных носителей в область П₃. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен в), называется напряжением переключения U_пер (точка А на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, Т. переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи (точка В на ВАХ).

  Процесс скачкообразного переключения Т. из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью можно объяснить, рассматривая Т. как комбинацию двух транзисторов (T₁ и Т₂), включенных навстречу друг другу (рис. 3). Крайние области монокристалла являются эмиттерами (р-слой называется анодным эмиттером, n-слой — катодным), а средние — коллектором одного и одновременно базой др. транзистора. Ток i, протекающий во внешней цепи Т., является током первого эмиттера i_э1 и током второго эмиттера i_э2. Вместе с тем этот ток складывается из двух коллекторных токов i_к1 и i_к2, равных соответственно a₁i_э1 и a₂i_э2, где «a₁ и a₂ — коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов T₁ и Т₂; кроме того, в его состав входит ток коллекторного перехода i_кo (так называемый обратный ток). Таким образом i = a₁i_э1 + a₂i_э2 + i_кo. С учётом i_э1 = i_э2 = i имеем  . При малых токах a₁ и a₂ значительно меньше 1 (и их сумма также меньше 1). С увеличением тока a₁ и a₂ растут, что ведёт к возрастанию i. Когда он достигает значения, называется током включения I_вк, сумма a₁+a₂ становится приблизительно равной 1, и ток скачком возрастает до величины, ограничиваемой сопротивлением нагрузки (точка В на рис.(рисунок) 2). Всякий Т. характеризуется предельно допустимым значением прямого тока I_пред (точка Г на рис.(рисунок) 2), при котором на приборе будет небольшое остаточное напряжение U_ocт. Если же уменьшать ток через Т., то при некотором его значении, называется удерживающим током I_yд (точка Б на рис. 2), Т. запирается — переходит в состояние с низкой проводимостью, соответствующее участку ОА на ВАХ. При напряжении обратной полярности кривая зависимости тока от напряжения выглядит так же, как соответствующая часть ВАХ полупроводникового диода.

  Описанный способ включения Т. (повышением напряжения между его СЭ) применяют в Т., называется вентилями-переключателями (реже неуправляемыми Т., или динисторами). Однако преимущественное распространение получили Т., включаемые подачей в цепь УЭ импульса тока определённой величины и длительности при положительной разности потенциалов между анодом и катодом (обычно их называют управляемыми вентилями или Т.). Особую группу составляют фототиристоры, перевод которых в состояние с высокой проводимостью осуществляется световым воздействием. Выключение Т. производят либо снижением тока через Т. до значения I_yд, либо изменением полярности напряжения на его СЭ.

  В соответствии с назначением различают Т. с односторонней проводимостью, с двухсторонней проводимостью (симметричные), быстродействующие, высокочастотные, импульсные, двухоперационные и специальные.

  Полупроводниковый элемент Т. изготовляют из кремниевых монокристаллических дисков (пластин), вводя в Si добавки В, Al и Р. При этом в основном используют диффузионную и сплавную технологию. Конструктивно Т. выполняют (рис. 4) в герметичном корпусе; для обеспечения механической прочности и устранения тепловых напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов расширения Si и Cu (материал электродов), между кристаллом и электродами устанавливают термокомпенсирующие вольфрамовые или молибденовые диски. Различают Т. штыревой конструкции — в металлических и металлокерамических корпусах, прижимные (с отводом тепла с одной стороны Т.) и таблеточные (с двухсторонним отводом тепла). Основные конструкции Т. — таблеточная и штыревая. Т. на токи до 500 а изготовляют с воздушным охлаждением, на токи свыше 500 а — обычно с водяным.

  Современные Т. изготовляют на токи от 1 ма до 10 ка напряжения от нескольких в до нескольких кв; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ а/сек, напряжения — 10⁹ в/сек, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мксек, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мксек; кпд(коэффициент полезного действия) достигает 99%.

  Т. нашли применение в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии (см. Преобразовательная техника, Тиристорный электропривод), исполнительных и усилительных элементов в системах автоматического управления, ключей и элементов памяти в различных электронных устройствах и т. п., где они совместно с др. полупроводниковыми приборами к середине 70-х гг. 20 в. в основном вытеснили электронные (электровакуумные) и ионные (газоразрядные и ртутные) вентили.

  Лит.: Тиристоры. (Технический справочник), пер.(перевод) с англ.(английский), 2 изд., М., 1971; Кузьмин В, А., Тиристоры малой и средней мощности, М., 1971.

  Ю. М. Иньков, А. А. Сакович.

Рис. 4. Управляемый тиристор (в разрезе): 1 — основание (силовой электрод); 2 — полупроводниковый кристалл; 3 — фторопластовое кольцо; 4 — гибкий внутренний провод; 5 — крышка; 6 — изолятор крышки; 7 — стержень крышки; 8 — гибкий наружный вывод (силовой электрод); 9 — управляющий электрод; 10 — наконечник наружного вывода.

Рис. 5 (в, г). Общий вид тиристоров: в — прижимного в металлокерамическом корпусе; г — штыревого в металлокерамическом корпусе в сборе с охладителем.

Рис. 3. Схематическое изображение тиристора в виде двух включенных навстречу друг другу транзисторов: Т — транзистор; Э — эмиттер; Б — база; К — коллектор; i_э — эмиттерный ток; i_к — коллекторный ток; i_кo — ток коллекторного перехода; R_н — сопротивление внешней цепи; U_пp — прямое напряжение на тиристоре.

Рис. 1. Схематическое изображение тиристора: А — анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод; П — электронно-дырочный переход; R_н — сопротивление внешней цепи; U_пp — прямое напряжение на тиристоре.

Рис. 5 (а, б). Общий вид тиристоров: а — штыревого в металлическом корпусе; б — таблеточного в керамическом корпусе.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора (вентиля-переключателя): участок ОА соответствует состоянию тиристора с низкой проводимостью, участок БГ — с высокой проводимостью.