Устройство и принцип работы симистора.

ЛЕКЦИЯ №10

ТЕМА: Устройство и принцип работы тиристора и симистора. Основные параметры и маркировка.

Вопросы: 1. Устройство и принцип работы тиристора.

Устройство и принцип работы симистора.

1.

Тиристоры изготовляют из кремния и они состоят из четырех чередующихся слоев с проводимостями типа Р и N, образуя три электронно-дырочных перехода и один управляющий вывод.

Практически тиристор можно представить в виде схемы замещения, состоящей из двух транзисторов р-п-р и п-р-п типа.

Подадим на анод и катод небольшое прямое напряжение при разомкнутой цепи управляющего электрода. Эмиттерные переходы П₁ и П₃ окажутся включенными в прямом направлении. В этом случае напряжение будет приложено в основном к переходу П₂. При небольшом напряжении только незначительная часть дырок и электронов, поступивших из эмиттерных областей Р₁ и N₂ в базовые области N₁ и Р₂, достигает коллекторного перехода П₂, оказывая незначительное влияние на уменьшение его сопротивления. Через тиристор проходит незначительный прямой ток утечки I_ко, приблизительно равный обратному току закрытого перехода П₂. Увеличение напряжения не вызовет заметного возрастания тока вследствие большого сопротивления перехода П₂. Такой режим называют режимом прямого запертого состояния тиристора и ему соответствует участок ОА прямой ветви вольт-амперной характеристики.

Когда приложенное к вентилю напряжение увёличивается до значения U_вкл, называемого напряжением включения, то под действием сильного электрического поля коллекторного перехода дырки, ранее переместившиеся из области Р₁ в базовую область N₁, проходят через переход П₂ и быстро втягиваются во вторую базовую область Р₂, а из нее — в полупроводник. Наступает лавинный процесс встречного перемещения дырок и электронов через переход П₂ с образованием новых носителей зарядов и увеличением тока до значения I_вкл.

Точка А вольт-амперной характеристики с напряжением и током включения, соответствует началу открытия вентиля.

Сопротивление перехода П₂ после образования лавинного процесса резко уменьшается, что приводит к уменьшению падения напряжения на всех трех переходах вентиля по участку АБ вольт-амперной характеристики, и начиная с точки Б вследствие потери запирающего свойства перехода П₂ вентиль работает как неуправляемый полупроводниковый диод на участке БВ вольтамперной характеристики. Тиристор находится во включенном состоянии до тех пор, пока проходящий через него ток является достаточным для инжекции электронов и дырок в слои N₁ и Р₂. Когда ток вентиля снизится до некоторого значения, меньшего I_уд, называемого током удержания, вентиль переходит в закрытое состояние, так как число инжектируемых носителей тока оказывается недостаточным для поддержания перехода П₂ в открытом состоянии.

Для снижения напряжения включения, замкнем контакт S_у и подадим на управляющий электрод У положительный потенциал напряжения управления от вспомогательного источника питания. Под действием напряжения управления через переход будет проходить ток управления I_у, который вызовет инжекцию электронов из слоя N₂ в слой Р₂. Через переход П₃ пройдет суммарный ток I_о+I_у. Электрическое поле перехода П₂ перебрасывает часть электронов из слоя Р₂ (поступивших в слой Р₂ из слоя N₂) в слой N₁. Одновременно увеличивается встречное перемещение дырок из слоя N₁ в слой Р₂. Через переход П₂ кроме тока утечки I_ко будет протекать ток не основных носителей. Сила последнего зависит от силы тока управления. Когда суммарный ток через переход П₂ превысит ток включения, то произойдет открытие тиристора.

С возрастанием тока управляющего электрода уменьшается напряжение включения.

Если на управляющий электрод подать соответствующей силы ток управления (ток спрямления), то вентиль может начать работу как неуправляемый.

После того как тиристор открылся током управления он удерживается в открытом состоянии прямым током, проходящим из слоя Р₁ в слой N₂, управляющий электрод перестает влиять на прохождение тока и его можно отключить от вспомогательного источника питания, что практически и делают.

Если к тиристору приложить U_обр, то он закроется переходами П₁ и П₃, несмотря на наличие положительного потенциала на управляющем электроде. Его ВАХ в непроводящем направлении будет как у диода.

2.

Симистор (симметричный тиристор) - отличается от обычного тиристора наличием двусторонней проводимости. Пятислойная структура симистора N-Р-N-Р-N образует четыре электронно-дырочных перехода П₁, П₂, П₃ и П₄.

Крайние Р-N-переходы шунтированы металлическими контактами электродов М и Н; управляющий электрод У подключен к верхней области типа Р. Относительно вертикальной оси О-О образованы две четырехслойные симметричные структуры Р-N-Р-N с тремя электронно-дырочными переходами, каждая из которых представляет собой самостоятельный прибор - тиристор, поэтому симисторы называют также симметричными тиристорами.

Левая половина прибора (переходы П₁, П₂, П_З) ориентирована для протекания тока от электрода Н к электроду М, а правая половина (переходы П₂, П₃, П₄) — от электрода М к электроду Н.

Принцип работы:

Когда на электрод Н подан положительный потенциал относительно электрода М, в работу включается левая половина выпрямительного элемента и ток протекает через него от электрода Н к электроду М. Момент включения этого выпрямительного элемента определяется подачей импульса тока на управляющий электрод, как у обычного тиристора. Правая половина вентильного элемента будет включаться в работу при подаче управляющего импульса на электрод У, когда на электроде М будет положительный потенциал относительно электрода Н; протекание тока будет от электрода М к электроду Н.

В ВАХ как прямая, так и обратная ветвь имеют одинаковый (симметричный) вид и одинаковые значения:

Uвкл.пр.=Uвкл.обр.; Iвкл.пр. =Iвкл.обр; Iуд.пр. = Iуд.обр

Основные параметры:

-Напряжение включения

-Ток включения

-Ток утечки

-Ток управления - наименьший ток в цепи управляющего электрода, при котором он переходит из запертого состояния в открытое

-Максимальное допустимое прямое напряжение - максимальное напряжение, которое можно длительно прикладывать к приору.

-Максимально допустимое обратное напряжение - максимальное значение обратного напряжения, которое можно длительно прикладывать к прибору.

-Динамическое сопротивление в открытом состоянии - сопротивление, рассчитанное по наклону прямой, касательной к вольт-амперной характеристике в открытом состоянии прибора.

Маркировка, как и у диодов, состоит из четырех элементов;

для тиристоров и симисторов применяется буква У.

Например:

КУ101А — кремниевый К симистор (У), маломощный (1), номер разработки 01 группа А.