Тиристор: Методические указания к лабораторной работе № 4

Лабораторная работа № 4

Тиристор

1.  Цель и содержание работы

Ознакомиться с вольтамперными характеристиками и основными параметрами тиристора. В работе снимается семейство вольтамперных характеристик тиристора при различных токах управления и определяются основные статические параметры.

2. Основные параметры тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру, имеющую выводы от двух крайних областей и от внутренней базовой области p-типа.

На рис. 4.1 дано схематическое изображение такой структуры и пример обозначения на схеме.

Рис. 4.1.  Структура и условное схемное обозначение тиристора

Если на четырехслойную структуру подать напряжение полярности, показанной на рис. 4.1, то переходы П₁ и П₂ будут смещены в прямом направлении, а переход П₂ – в обратном. Такую структуру можно представить в виде комбинации двух транзисторов: p-n-p- транзистора с эмиттерным переходом П₁ и коллекторным П₂ и n-p-n- транзистора с эмиттерным переходом П₃ и коллекторным переходом П₂, соединенных между собой согласно рис. 6.2. Пусть  - коэффициент передачи тока  p-n-p- транзистора и он определяет часть дырочного тока, инжектированную эмиттером  П₁ и достигающую коллектора П₂.  - коэффициент передачи n-p-n- транзистора, определяет часть электронного тока, инжектированного эмиттером П₃ и достигающего коллектора П₂. Через переход П₂ будет протекать как дырочный ток p-n-p- транзистора, равный , так и электронный – n-p-n- транзистора, равный , а также обычный ток утечки перехода, смещенного в обратном направлении.

Рис. 4.2. Эквивалентная схема тиристора

Полный ток через переход

                                                             (6.1)

Поскольку 

                                                                   (6.2)

Если , то ток  - мал, что соответствует состоянию тиристора «выключен» или «закрыт» (участок 1, рис. 4.3). Если сумма  близка к единице, то знаменатель почти равен нулю и ток ограничивается лишь сопротивлением внешней цепи. Это соответствует состоянию «включен» или «открыт».

Рис. 4.3. Вольтамперная характеристика тиристора

В основе переключающего действия p-n-p-n- структуры лежит зависимость коэффициента передачи тока от электрического режима. В кремниевой структуре существенную роль играют процессы рекомбинации в области пространственного заряда p-n- переходов, коэффициент передачи тока при малых плотностях  эмиттерного тока очень мал и лишь постепенно растет с увеличением общего тока. С ростом напряжения ток  возрастает из-за  процессов лавинного умножения в переходе П₂.

ВАХ тиристора с учетом лавинного умножения можно получить заменой  и , где  - коэффициент умножения.

                                                                              (6.3)

Где  = 3.5 для кремния;  - напряжение пробоя коллекторного перехода. Объединяя (6.2) и (6.3), получим

.                                  (6.4)

Выполнив умножение в знаменателе, получим

.                                           (6.5)

Если , то

                                         (6.6)

Напряжение включения , при котором начинается резкое нарастание анодного тока, определяется напряжением пробоя коллекторного перехода П₂ и коэффициентом передачи тока в точке включения.

С ростом токов  и  растут коэффициенты передачи тока  и  и при  близком к единице, начинается значительный рост тока (участок 2, рис.6.3); напряжение на структуре падает (участок 3, там же). Прибор из запертого состояния переходит в открытое (участок 4, там же).

Падение напряжения на включенном тиристоре складывается из напряжений на трех переходах. На прямосмещенном коллекторном переходе П₂ напряжение направлено встречно напряжениям на П₁ и П₃. Поэтому суммарное напряжение на включенном тиристоре невелико и составляет около 1 В.

Если создать дополнительный вывод к одной из базовых областей четырехполосной структуры , то, подавая небольшое положительное смещение на эмиттерный переход, можно изменять ток, протекающий в одном из транзисторов, и тем самым общий коэффициент передачи тока . Это дает возможность управлять параметрами тиристора, меняя смещение на таком управляющем электроде. Для уменьшения величины управляющего тока , являющегося током рекомбинации, необходимо повысить коэффициент переноса для соответствующей базы, т. е. сделать ширину базы  много меньше диффузионной длины . Поэтому для управления током через тиристор используют вывод от узкой базы p- типа, прилегающей к катоду.