Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Тиристоры

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Тиристоры[1]

Тиристоры – это широкий класс биполярных полупроводниковых устройств, имеющих от четырёх (и более) чередующихся слоев N-P-N-P, как-то: кремниевый управляемый выпрямитель (или SCR от англ. silicon controlled rectifier), симистор (или триак как калька с английского TRIAC), запираемые тиристоры (или GTO от англ. gate turn off switch), кремниевый управляемый коммутатор (или SCS от англ. silicon controlled switch), динистор или диодный тиристор или диод переменного тока (или англ. DIAC), однопереходный транзистор (или UJT от англ. unijunction transistor), программируемый однопереходный транзистор (или PUT от англ. programmable unijunction transistor). В этом разделе рассматривается только SCR и упоминается GTO. Некоторым другим тиристорам в дальнейшем посвящены целые главы этого тома.

Шокли предложил четырехслойный диодный тиристор в 1950 году. Он был реализован только спустя годы в «Дженерал Электрик». Теперь доступны SCR-тиристоры для управления уровнями мощности в диапазоне от ватт до мегаватт. Самые маленькие устройства, выполненные как слаботочные транзисторы, коммутируют 100 миллиампер при напряжении около 100 В переменного тока. Самые большие компактные устройства имеют диаметр 172 мм и коммутируют 5600 А при 10 000 В переменного тока. SCR-тиристор наивысшей мощности может состоять из цельной полупроводниковой пластины диаметром несколько дюймов (до 100 мм).

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)

Рис. 1. Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): (а) профиль легирования; (б) эквивалентная схема с биполярными транзисторами.

Кремниевый управляемый выпрямитель – это четырехслойный диод с затвором, как на рисунке 1.а выше. При включении он проводит как диод для одной полярности тока. Если не включён, то не проводит. Чтобы лучше понять, как это работает приведена эквивалентная схема составного подключенного транзистора на рисунке 1.б выше. Положительный сигнал запуска подаётся между выводами затвора и катода. Это заставляет транзистор, эквивалентный N-P-N, проводить. Коллектор проводящего транзистора N-P-N подтягивается вниз, перемещая базу P-N-P к напряжению коллектора, что заставляет P-N-P проводить ток. Коллектор проводящего P-N-P-транзистора подтягивается вверх, перемещая к себе базу N-P-N. Эта положительная обратная связь (регенерация) усиливает уже и так проводящее состояние N-P-N. Более того, N-P-N теперь будет проводить даже при отсутствии стробирующего (избирательно-импульсного) сигнала. Когда SCR проводит, это продолжается до тех пор, пока присутствует положительное анодное напряжение. Для батареи постоянного тока, показанной на рисунке, это продолжалось бы в нон-стоп режиме. Однако тиристоры чаще всего используются с переменным током или пульсирующим постоянным током. Проводимость прекращается с истечением положительной половины синусоиды сигнала на аноде. Более того, наиболее практичные схемы SCR зависят от цикла переменного тока, идущего от нуля до отсечки или до переключения SCR.

На рисунке 2.а ниже показан профиль легирования SCR. Обратите внимание, что катод, соответствующий эквивалентному эмиттеру N-P-N-транзистора, сильно легирован, ведь указано N+. Анод также сильно легирован (P+). Это эквивалентно эмиттеру P-N-P-транзистора. Два средних слоя, соответствующие базовым и коллекторным областям эквивалентных транзисторов, менее легированы: N- и P-. Этот профиль SCR-тиристора высокой мощности может быть распределён по всей полупроводниковой пластине значительного диаметра.

Рис. 2. Тиристоры: (а) поперечное сечение; (б) обозначение кремниевого выпрямителя (SCR); (в) обозначение запораемого тиристора (GTO).

Условные обозначения для SCR и GTO показаны на рисунках 2.б/в выше. Основной символ диода указывает на то, что проводимость от катода к аноду однонаправлена, как и у диода. Добавление вывода затвора указывает на контроль проводимости диода. Управляемый тиристор (GTO) имеет двунаправленные стрелки вокруг вывода затвора, указывающие на то, что проводимость может быть отключена отрицательным импульсом или инициирована положительным импульсом.

В дополнение к повсеместно используемым SCR-тиристорам на основе кремния были произведены экспериментальные устройства из карбида кремния. Карбид кремния (SiC) работает при более высоких температурах и обладает большей теплопроводностью, чем любой металл, уступая разве что алмазу. Это должно позволить разработать устройства с меньшими физическими размерами и/или работающие с большей мощностью.

Итог

  • SCR – наиболее распространенный член семейства тиристорных четырехслойных диодов.
  • Положительный импульс, приложенный к затвору SCR, запускает на нём состояние проводимости. Это состояние проводимости продолжается, даже если стробирующий импульс пропадает. Состояние проводимости завершается только тогда, когда напряжение между анодом и катодом падает до нуля.
  • SCR чаще всего используются с источником переменного тока (или пульсирующим постоянным током) из-за возникающей непрерывной проводимости.
  • Запираемый тиристор (GTO) может быть выключен подачей отрицательного импульса на затвор.
  • SCR могут коммутировать мегаватты мощности, вплоть до 5600 А и 10000 В.

См.также

Внешние ссылки