El dispositiu i els paràmetres dels tiristors

Un tiristor és un dispositiu semiconductor amb tres (o més) unions p-n, la característica de corrent-tensió del qual té una secció de resistència diferencial negativa i que s'utilitza per a la commutació en circuits elèctrics.

El tiristor més senzill amb dues sortides és un tiristor de díode (dinistor). El tiristor de triode (SCR) també té un tercer elèctrode (control). Tant els tiristors de díode com els de triode tenen una estructura de quatre capes amb tres unions p–n (Fig. 1).

Les zones extremes p1 i n2 s'anomenen ànode i càtode respectivament, un elèctrode de control està connectat a una de les zones mitjanes p2 o n1. P1, P2, P3- transicions entre regions p i n.

Una font E de la tensió d'alimentació externa està connectada a l'ànode amb un pol positiu respecte al càtode. Si el corrent Iу a través de l'elèctrode de control del tiristor del triode és zero, el seu funcionament no difereix del funcionament del díode. En alguns casos, és convenient representar el tiristor com un circuit equivalent a dos transistors, utilitzant transistors amb diferents tipus de conductivitat elèctrica p-n-p i n-R-n (Fig. 1, b).

Fig. 1.Estructura (a) i circuit equivalent de dos transistors (b) d'un tiristor triode

Com es pot veure a la fig. 1, b, la transició P2 és una transició de col·lector comú dels dos transistors del circuit equivalent, i les transicions P1 i P3 són unions emissores. A mesura que augmenta la tensió directa Upr (que s'aconsegueix augmentant la fem de la font d'alimentació E), el corrent del tiristor augmenta lleugerament fins que la tensió Upr s'acosta a un cert valor crític de la tensió de ruptura, igual a la tensió d'encesa Uin (Fig. . 2).

Arròs. 2. Característiques corrent-tensió i designació convencional d'un tiristor de triode

Amb un augment addicional de la tensió Upr sota la influència d'un camp elèctric creixent en la transició P2, s'observa un fort augment del nombre de portadors de càrrega formats com a resultat de la ionització per impacte durant la col·lisió dels portadors de càrrega amb els àtoms. Com a resultat, el corrent d'unió augmenta ràpidament a mesura que els electrons de la capa n2 i els forats de la capa p1 es dirigeixen a les capes p2 i n1 i els saturen amb portadors de càrrega minoritaris. Amb un augment addicional de la FEM de la font E o una disminució de la resistència de la resistència R, el corrent del dispositiu augmenta d'acord amb la secció vertical de la característica I - V (Fig. 2)

El corrent directe mínim al qual roman encès el tiristor s'anomena corrent de retenció Isp. Quan el corrent directe disminueix fins al valor Ipr <Isp (branca descendent de la característica I — V de la figura 2), es restableix l'alta resistència de la connexió i el tiristor s'apaga. El temps de recuperació de la resistència de la unió p — n sol ser d'1 a 100 µs.

La tensió Uin a la qual comença un augment de corrent semblant a una allau es pot reduir introduint encara més portadors de càrrega minoritaris a cadascuna de les capes adjacents a la unió P2. Aquests portadors de càrrega addicionals augmenten el nombre d'accions d'ionització a la unió P2 p-n i, per tant, la tensió d'encesa Uincl disminueix.

Portadors de càrrega addicionals al tiristor de triode que es mostra a la Fig. 1, s'introdueixen a la capa p2 per un circuit auxiliar alimentat per una font de tensió independent. El grau en què la tensió d'encesa disminueix a mesura que augmenta el corrent de control es mostra per la família de corbes de la figura 1. 2.

En passar a l'estat obert (encès), el tiristor no s'apaga fins i tot quan el corrent de control Iy disminueix a zero. El tiristor es pot apagar ja sigui baixant la tensió externa a un cert valor mínim, en el qual el corrent es torna menor que el corrent de retenció, o bé subministrant un pols de corrent negatiu al circuit de l'elèctrode de control, el valor del qual, però , és proporcional al valor del corrent del commutador directe Ipr.

Un paràmetre important del tiristor de triode és el corrent de control de desbloqueig Iu on, el corrent de l'elèctrode de control, que garanteix la commutació del tiristor en estat obert. El valor d'aquest corrent arriba a diversos centenars de mil·liampers.

Fig. 2 es pot veure que quan s'aplica una tensió inversa al tiristor, es produeix un petit corrent, ja que en aquest cas les transicions P1 i P3 estan tancades. Per evitar danys al tiristor en sentit invers (que posa el tiristor fora de funcionament a causa de la ruptura tèrmica de la carrera), cal que la tensió inversa sigui inferior a Urev.max.

En tiristors de díodes i triodes simètrics, la característica inversa I — V coincideix amb la directa. Això s'aconsegueix mitjançant la connexió antiparal·lel de dues estructures idèntiques de quatre capes o mitjançant l'ús d'estructures especials de cinc capes amb quatre unions p-n.

Arròs. 3. L'estructura d'un tiristor simètric (a), la seva representació esquemàtica (b) i la característica corrent-tensió (c)

Actualment, es produeixen tiristors per a corrents de fins a 3000 A i tensions d'encesa de fins a 6000 V.

Els principals inconvenients de la majoria dels tiristors són la controlabilitat incompleta (el tiristor no s'apaga després d'eliminar el senyal de control) i la velocitat relativament baixa (desenes de microsegons). Recentment, però, s'han creat tiristors en els quals s'ha eliminat el primer inconvenient (els tiristors de bloqueig es poden desactivar mitjançant el corrent de control).

Potapov L.A.