Тиристор

(от греч. thýra — дверь, вход и англ. resistor — Резистор

полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника (См. Полупроводники) с четырёхслойной структурой р—n—p—n-типа, обладающий свойствами вентиля электрического (См. Вентиль электрический) 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 (См. Электронно-дырочный переход) 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_э1и током второго эмиттера i_э2. Вместе с тем этот ток складывается из двух коллекторных токов i_к1 и i_к2, равных соответственно α₁i_э1 и α₂i_э2, где «α₁ и α₂ — 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=α₁i_э1 + α₂i_э2 + i_кo. С учётом i_э1 = i_э2 = iимеем ₁ и α₂ значительно меньше 1 (и их сумма также меньше 1). С увеличением тока α₁ и α₂ растут, что ведёт к возрастанию i. Когда он достигает значения, называется током включения I_вк, сумма α₁+α₂ становится приблизительно равной 1, и ток скачком возрастает до величины, ограничиваемой сопротивлением нагрузки (точка В нарис. 2). Всякий Т. характеризуется предельно допустимым значением прямого тока I_пред (точка Г нарис. 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 (См. Полупроводниковый диод).

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 мадо 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 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 (См. Автоматическое управление), ключей и элементов памяти в различных электронных устройствах и т. п., где они совместно с др. полупроводниковыми приборами (См. Полупроводниковые приборы) к середине 70-х гг. 20 в. в основном вытеснили электронные (электровакуумные) и ионные (газоразрядные и ртутные) вентили.

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

Ю. М. Иньков, А. А. Сакович.

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

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

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

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. 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.

ТИРИСТОР (от греч. thyra - дверь и резистор) - полупроводниковый прибор на монокристалле с 4-слойной структурой (с 3 электронно-дырочными переходами); обладает свойствами управляемого электрического вентиля. Выпускаются на токи от 1 мА до 10 кА и напряжения от нескольких В до нескольких кВ. Применяется в силовых устройствах преобразовательной техники и в автоматике.

English: Thyristor Полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот (по ГОСТ 15133-77 ст сэв 2767-85)

Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник

thyristorthyristor

triple diode, p-n-p-n switch, solid-state thyratron, thyristor

ТИРИСТОР

-трёхэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из трёх p - n-переходов, взаимодействие между к-рыми приводит к тому, что прибор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: выключенном- с высоким сопротивлением и включённом - с низким. Полупроводниковая структура T. состоит из четырёх слоев чередующегося типа проводимости ( п ⁺ рпр ⁺; рис. 1), образующих три расположенных друг над другом p - n -перехода. Внутренний базовый р- слой обычно выполняется сильнолегированным (концентрация примеси N=10¹⁷-10¹⁸ см ^-3) и тонким, чтобы обеспечить достаточно высокий (0,7-0,9) коэф. переноса b n⁺pn -транзистора (см. Транзистор биполярный). Базовый n -слой выполняется относительно толстым и слаболегированным (N=10¹³ - 10¹⁵ см ^-3). При приложении внеш. напряжения указанной на рис. 1 полярности (прямое смешение) крайние переходы Э ₁ и Э ₂ (эмиттеры) смещены в проводящем, а центральный K₁ (коллектор) - в запорном направлениях; его область пространственного заряда (ОПЗ) расположена почти полностью в n -базе. Эмиттер Э ₁ обычно имеет распределённые по всей площади шунтирующие каналы, выполненные в виде выходов р- слоясквозь n⁺ -слой к ме-таллич. контакту. Процессы, определяющие возможность переключения, протекают след. образом. Электронно-ды-рочные пары, генерируемые, напр., теплом в ОПЗ, разделяются полем; дырки и электроны выбрасываются в р- и п- базы, соответственно понижают потенц. барьеры эмиттеров Э ₁ и Э ₂, что приводит к соответствующей инжекции неосновных носителей в базы. Эти носители диффундируют через базовые области, частично рекомбинируя с осн. носителями, а затем выбрасываются полем через ОПЗ в соответствующие базы уже в качестве осн. носителей, понижают барьеры Э ₁ и Э ₂ и т. д. T. находится в устойчивом запертом состоянии до тех пор, пока кол-во носителей, поступающих в базовые слои, не превышает их потерь из-за рекомбинации и ухода в эмиттеры. С ростом приложенного напряжения растёт протекающий через n⁺ рпр ⁺ -структуру ток из-за расширения ОПЗ и увеличения поля в ней, приводящих к увеличению тока утечки. Возрастание тока ведёт к относительному уменьшению потерь; это связано в осн. с ростом инжекционной компоненты тока эмиттерных переходов и полевому ускорению переноса носителей через n -базу. Поэтому при определ. напряжении поступление носителей начинает превышать потери. Этот процесс вследствие положит. характера обратной связи нарастает лавинообразно и приводит к заполнению базовых областей электронно-дырочной плазмой большой плотности (см. Плазма твёрдых тел), смещение коллектора вследствие этого меняет знак, и прибор переходит во включённое состояние. Шунтирующие каналы в эмиттере Э ₁, увеличивающие потери дырок в p -базе, позволяют поднять напряжение переключения вплоть до напряжения лавинного пробоя коллектора. Вольт-амперная характеристика (BAX), определяемая вышеописанными процессами, показана на рис. 2; она описывается выражением

где j _ко -ток утечки коллекторного перехода; a₁, a₂ -коэф. усиления п ⁺ рп- и р ⁺np -транзисторов, составляющих n⁺ pnp⁺ -структуру. Из (1) следует, что условием переключения (j _ко0, т. е. U0) приближённо можно считать (a₁ + a₂)1. Переключение n⁺ рпр ⁺ -структуры можно осуществить не повышением напряжения, а, напр., импульсом света с энергией кванта, достаточной для генерации электронно-дырочных пар (фототиристор), или инжекцией электронов эмиттером Э ₁ при пропускании импульса тока в цепи AB (рис. 1). В этом случае из-за большого тангенциального сопротивления p -базы инжектирует узкая область эмиттера вдоль границы с электродом управления В, Процесс включения происходит только в этой области, и из неё включённое состояние распространяется по всей площади прибора. На нач. стадии, пока плотность тока во включённой части высока, распространение включённого состояния определяется электрич. полем на границе включённой и невключённой областей, смещающим эмиттеры в проводящем направлении, а по мере уменьшения плотности тока определяющим механизмом становится диффузия плазмы из включённой области. Скорость этих процессов обычно лежит в пределах 0,1-0,005 мм ^. мкс в зависимости от мгновенной плотности тока и конструкции прибора. BAX T. в установившемся включённом состоянии практически аналогична BAX р ⁺nn⁺ -диода; распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях показано на рис. 3. Выключение T. обычно осуществляется путём кратковрем. изменения полярности внеш. напряжения. Ток при этом меняет направление и носители заряда из плазмы вытягиваются во внеш. цепь, обеспечивая протекание тока. Концентрация плазмы у эмиттерных переходов уменьшается как за счёт вытягивания неосновных носителей, так и за счёт рекомбинации. Из p -базы электроны уходят через n⁺ -слой, а избыточные дырки инжектируются коллектором К в n -базу; низковольтный эмиттер Э ₁ быстро восстанавливается и пробивается. Через переход Э ₂ из n -базы уходят дырки, но избыточные электроны практически не могут уйти через потенц. барьер прямосмещённого коллектора. Поэтому протекающий через T. обратный ток почти не выносит заряд из n -базы: уход дырок через Э ₂ сопровождается поступлением через коллектор К почти такого же кол-ва дырок, создаваемых ударной ионизацией в переходе Э ₁, и заряд в n -базе исчезает практически только вследствие рекомбинации. После того как концентрация дырок у перехода Э ₂ уменьшается до равновесного значения, начинается образование ОПЗ, граница к-рой быстро перемещается в глубь n -базы, сопротивление прибора резко возрастает, а ток в цепи падает. В квазинейтральной части n -базы при этом нек-poe время сохраняется довольно большое кол-во избыточных носителей заряда. При изменении полярности внеш. напряжения на прямое эти носители выбрасываются полем коллектора в базы, вызывая всплеск прямого тока; однако если этот ток меньше нек-рой критич. величины j _кр, приводящей к лавинообразному нарастанию концентрации, T. остаётся в выключенном состоянии. Промежуток времени между изменением направления тока через T. до момента, когда становится возможным приложение прямого смещения, наз. временем выключения t_q. Оценочно, t_qт _rln(j _пр/ j _кр),где т _p - время жизни дырок в n -базе. Отсюда следует, что статич. и динамич. характеристики T. жёстко взаимосвязаны. Для того чтобы обеспечить блокирование большого напряжения, n -база должна быть слаболегированной и иметь толщину, превышающую размер ОПЗ коллектора примерно на L_p= (D_pt_p)^1/2. Увеличение толщины ведёт к увеличению напряжения на приборе во включённом состоянии. Для того чтобы оно оставалось на приемлемом уровне, необходимо увеличивать L_p, что ведёт к увеличению t_q, т. е. к ухудшению частотных характеристик прибора. Поэтому быстродействующие T. имеют сравнительно невысокое рабочее напряжение, а высоковольтные - большое время выключения.

Рис. 1. Четырёхслойная р ⁺ прп ⁺ - структура тиристора: АС- основная цепь; AB- цепь управления; 1 - шунти рующие каналы; 2 - ОПЗ коллектора.

Рис. 2. BAX тиристора: а - при прямом смещении; б - при обратном смещении.

Рис. 3. Распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях включённого тиристора (+ на р⁺ -слое). Штрихпунктирными линиями показаны три последо вательные стадии рассасывания плазмы при выключе нии тиристора (- на р ⁺ -слое).

Основным полупроводниковым материалом для изготовления T. является кремний. Четырёхслойная п ⁺ рпр ⁺ -структура изготавливается, как правило, путём последовательных операций термодиффузии примесей р- и n -типа в пластину монокристаллич. кремния, причём для получения эмиттерного n⁺ -слоя сложной геом. формы применяются маскирование окислом и фотолитография.

Диапазон рабочих параметров совр. T. чрезвычайно широк. T. в планарном исполнении, обычно интегрируемые с др. элементами схем, имеют рабочие токи 10^-2 - 10^-1A при напряжениях 10¹ -10²B; T. предельной мощности имеют рабочие токи 13^.10³A при напряжениях (36)·10³ В. Четырёхслойная n⁺pnp⁺ -структура и протекающие в ней физ. процессы лежат в основе целого ряда приборов тиристорного типа, сильно отличающихся от описанного выше обычного T. К ним относятся, в частности: а) с и м и с т о р, состоящий из двух встречно-параллельно включённых n⁺pnp⁺ -структур с общим электродом управления, выполненных в одной полупроводниковой пластине. Симистор обычно используется в качестве ключа переменного тока; б) ф о т о т и р и с т о р - Т., переключение к-рого осуществляется импульсом света. В этом приборе цепь управления полностью изолирована от осн. цепи, что особенно удобно при работе на больших напряжениях; в) з а п и р а е м ы й т и р и с т о р, выключение к-рого осуществляется не переменой полярности внеш. напряжения, а импульсом запирающего тока в цепи управления, что позволяет существенно упростить конструкцию аппаратуры. Предельные параметры совр. запираемых T. почти такие же, как и у обычных тиристоров; г) р е в е р с и в н о в к л ю ч а е м ы й д и н и с т о р, включение к-рого осуществляется кратковрем. изменением полярности внеш. напряжения. Этот прибор, в отличие от всех др. приборов тиристорного типа, включается однородно и одновременно сразу по всей рабочей площади. Это позволяет переключать очень большие (10⁵-10⁶ А) импульсные токи, а также работать на высоких (до 10⁵ Гц) частотах при коммутации больших мощностей.

Перспективным материалом для приборов тиристорного типа является арсенид галлия. Из-за большей, чем у кремния, ширины запрещённой зоны он позволяет работать при большей темп-ре, блокировать большее напряжение при сравнительно тонкой ОПЗ и, следовательно, тонкой базе с малым т _p; это даёт возможность существенно улучшить быстродействие приборов.

Лит.: Управляемые полупроводниковые вентили, пер. с англ., M., 1967; Блихер А., Физика тиристоров, пер. с англ., Л., 1981; Евсеев Ю. А., Дерменжи П. Г., Силовые полупроводниковые приборы, M., 1981; Тучкевич В. M., Грехов И. В., Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами, Л., 1988. И. В. Грехов.