Почему коллекторный переход тиристора оказывается смещенным в обратном направлении при переключении тиристора из закрытого состояния в открытое?

Основой большинства тиристоров служит четырехслойная структура типа p1-n1-p2-n2. Крайние области и переходы 1-й и 3-й структуры (рис. 1) называют эмиттерными, центральный переход 2 – коллекторным, а области n1 и p2 – базами. Толщина областей тиристора различна, а концентрация примесей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах. Внешний вывод от n -эмиттера именуют катодом, от p -эмиттера – анодом. Действие диодного тиристора (динистора) обусловлено физическими процессами в p-n -переходах структуры и взаимодействиями между ними. При подаче положительного напряжения на анод (рис. 1) переход 2 включается в обратном направлении, а переходы 1 и 3 – в прямом. Проис­ходит инжекция носителей через открытые переходы – дырок из области p1 в базу n1, электронов – из n2 в p2. Одновременно через открытые пере­ходы инжектируются встречные потоки носителей – электронов из базы n2 в p1 и дырок из базы p2 в область n2. Однако концентрация основных но­сителей в эмиттерных областях значительно больше, чем в базах, поэтому инжекцией носителей из баз через открытые переходы 1 и 3 можно пре­небречь.

Инжектированные в базы носители перемещаются в них вследствие диффузии, частично рекомбинируют, а затем экстрагируются через пере­ход 2, включенный в обратном направлении. Кроме тока, создаваемого инжектированными носителями, через переход 2 проходит также собст­венный обратный ток, обусловленный неосновными носителями в базах n₁ и p₂. В результате ток коллекторного перехода 2:

I₂ =α₁I₁ + α₂I₃ + I₀₂ (1)

где I ₁, I ₃ – токи соответственно первого и третьего переходов; α_1, α₂ – коэффициенты передачи тока соответственно через n₁ - и p₂ -базы;

I₀₂ – собственный обратный ток перехода 2.

Поскольку рассматриваемый участок цепи не имеет разветвлений, токи любого его сечения должны быть равны анодному току: I_а = I₁ = I₂ = I₃.
То­гда, используя формулу (1), получим

I_а = I₀₂ / [1–(α₁+ α₂)]. (2)

Коэффициенты (α) передачи тока через базу зависят от значения тока. Анодное напряжение распределяется между p-n -переходами пропорцио­нально их сопротивлениям. Так как сопротивления открытых переходов 1 и 3 значительно меньше по сравнению с сопротивлением закрытого пере­хода 2, к нему приложено почти все анодное напряжение. При небольших напряжениях анода прямое смещение на переходах 1 и 3 невелико и токи I₁ и I₃ составляют несколько микроампер. При таких токах эмиттера коэф­фициент передачи тока очень мал. Поэтому пока напряжение анода неве­лико, сумма (α₁ + α₂) << 1 и анодный ток определяется собственным обрат­ным током коллекторного перехода I₀₂.

С повышением анодного напряжения возрастает прямое смещение на переходах 1 и 3, увеличиваются инжекция носителей и коэффициенты их передачи через базы. Электроны, инжектированные из области n₂, пере­ходят через переход 2 в базу n₁ и создают там неравновесный отрица­тельный заряд, снижающий ее потенциал. Это увеличивает инжекцию дырок эмиттерной областью p₁ - в n₁ -базу. Дырки, экстрагируя, в свою очередь, через переход 2 в p₂ -базу, увеличивают ее положительный по­тенциал и соответственно инжекцию электронов из области n₂. Таким об­разом, в структуре динистора начинает действовать внутренняя положи­тельная обратная связь, развивается регенеративный процесс, который ведет к самопроизвольному увеличению анодного тока.

При анодном напряжении, равном U_вкл, процесс регенерации усилива­ется, сумма α₁ +α ₂ приближается к единице, и ток динистора резко возрас­тает.

Неподвижные заряды ионов примеси, образующие потенциальный барьер перехода 2, компенсируются динамическими неравновесными за­рядами электронов и дырок в p₂ - и n₁ -базах. В результате этого переход 2 смещается в прямом направлении, его сопротивление резко падает, на­чинается перераспределение напряжения источника Е_а.

Тиристор переходит в неустойчивый режим 2, где он имеет отрица­тельное дифференциальное сопротивление, а затем скачком – в режим 3, соответствующий устойчивому открытому состоянию динистора (см. рис. 1). В этом режиме падение напряжения на приборе определя­ется суммой падений напряжений на трех p-n -переходах, смещенных в прямом направлении, а также в наружных областях структуры и внешних выводах. Ток динистора в этом режиме зависит от напряжения питания и сопротивления нагрузки I_a≈E_а/R_Н.

Перевод закрытого динистора в открытое состояние – обратимый про­цесс. При снижении тока динистора объемные заряды носителей в базах оказываются недостаточными для компенсации потенциального перехода 2, процесс развивается в обратной последовательности и динистор пере­ключается в закрытое состояние. Время выключения определяется про­цессами рассасывания и рекомбинации подвижных носителей в областях структуры и примерно на порядок превышает время включения.