Глава 3. Тиристоры. Применение тиристоров в управляемых выпрямителях. Фотоэлектронные приборы. Интегральные микросхемы

3.1. Тиристоры

Тиристором называется полупроводниковый прибор многослойной структуры с тремя и более р-п-переходами, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

По устройству и принципу дей­ствия тиристоры подразделяются на динисторы (с двумя внешними выводами), тринисторы (с тремя внешними выводами), симисторы – тиристоры с симметричной ВАХ. УГО тиристоров представлено на рис.3.1.

Рис. 3.1. Условное графическое обозначение тиристоров:

динистор(а), тринистор(б), симистор(в)

3.1.1. Устройство тиристора

Наиболее распространенная разновидность тиристора р-n-р-n структуры c тремя р-n-переходами показана на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структура четырехслойного тиристора

Крайние области называют р- и n-эмитте­рами, а средние – р- и n-базами. В слаболегированную кремниевую пластину с электронной электропроводимостью толщиной менее 0,5 мм с обеих сторон методом диф­фузии вводят примесь алюминия и бора, образующих слои р₁ и р₃ с высокой концентрацией дырочных носите­лей заряда (порядка 10¹⁷ см³). Область n₂ состоит из исходного кристалла с концентрацией носителей около 10¹⁵ см³. Наиболее тонкий слой n₄ создается диффузией атомов фосфора в слой р₃ на глубину до 20 мкм и с кон­центрацией электронов до 10¹⁹ см³.

3.1.2. Принцип действия тиристора (динистора)

К эмиттерным областям присоединены выводы. Электрод, примыкающий к р-эмиттеру, называется анодом А, а к n-эмиттеру – катодом К, а также третий вывод – управляющий электрод УЭ, присоединяемый к слою р₃.

Анализ физических процессов, происходящих при переключении из закрытого состояния в открытое, проведен для динистора. Четырехслойную p-n-p-n структуру удобно представить состоящую из двух транзисторов: p₁-n₂-p₃ и n₂-p₃-n₄ типов. Для этого на рис. 3.3 условно проведен пунктиром разрез. При этом коллектор одного транзистора будет являться базой другого и наоборот. Усилительные свойства транзисторов характеризуются коэффициентами передачи тока эмиттера и . В обоих транзисторах переход П₂ является коллекторным, а переходы П₁ и П₃ – эмиттерными соответственно для p₁-n₂-p₃ и n₂-p₃-n₄ транзисторов.

Рис.3.3. Структура тиристора, поясняющая его принцип действия

При подключении к тиристору прямого напряжения (на аноде - плюс, на катоде - минус источника питания) переходы П₁ иП_З смещаются в прямом направлении, а П₂ - в обратном. Распределение напряжения будет определяться сопротивлениями отдельных участков кристалла. Высоколегированные слои р₁, р_З, n₄ и открытые переходы П₁ и П_З обладают малым сопротивлением (2-3 Ом), а слаболегированный n₂ - слой и закрытый переход П₂ - большим сопротивлением.

Поэтому все приложенное напряжение будет падать на переходе П₂, что приводит к увеличению потенциального барьера. Под действием поля U внешнего источника напряжения, снижающего потенциальный барьер, через переход П₁ из эмиттера р₁ в базу n₂ происходит инжекция дырок. Некоторая часть дырок (1- _p)I_р рекомбинирует в базе с электронами, поступающими от коллектора второго транзистора, а другая часть _рI_р, приблизившись к П₂, втягивается полем перехода П₂ и попадает в коллектор р_З. Аналогичным образом работает и второй транзистор. Через эмиттерный переход П_З, смещённый в прямом направлении, диффундируют электроны. Часть электронов (1- _n)I_n рекомбинирует в базе р_З с дырками, поступающими из слоя р₁ через слой n₂, остальные электроны _nI_n доходят до коллекторного перехода П₂, захватываются его полем и попадают в коллектор (слой n₂). Электронная составляющая тока показана в верней части структуры (см. рис. 3.3). Носители заряда, накапливаясь в базовых областях n₂ и р_З, образуют дополнительную разность потенциалов, снижающую потенциальный барьер перехода П₂ (заряд электронов и дырок компенсирует области пространственного заряда ионов на границе перехода П₂). Но тока ещё нет, кроме тока неосновных носителей (I_КО). При увеличении напряжения источника питания до некоторого значения сильное электрическое поле сообщает электронам из слоя n₄ значительную энергию. За счет ударной ионизации возникает лавинное “размножение” носителей зарядов (электронов) в слое n₂ и перенос тока через переход П₂. Процесс развивается очень быстро за несколько микросекунд. Ток во внешней цепи возрастает до значения, определяемого сопротивлением нагрузки. Проводящее состояние перехода П₂ (прямое включение) поддерживается непрерывной инжекцией основных носителей зарядов из р₁ и n₄. Их движение стимулируется внешним напряжением U_пр < U_вкл, (прямым напряжением, но уже меньшим, чем напряжение включения).