Тырыстар

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці
Абазначэнне на схемах

Тыры́стар — паўправадніковая прылада, якая зроблена на аснове монакрышталя паўправадніка з чатырохслаёвай структурай р-n-p-n-тыпу і ў прамым кірунку мае два ўстойлівыя станы: стан нізкай праводнасці (тырыстар закрыты) і стан высокай праводнасці (тырыстар адкрыты).

У адваротным кірунку тырыстар валодае толькі ўласцівасцямі запірання, г. зн. тырыстар — гэта кіруемы дыёд. Перавод тырыстара з закрытага стану ў адкрыты ў электрычным ланцугу здзяйсняецца знешнім уздзеяннем на прыладу: альбо напружаннем (токам), альбо святлом (фотатырыстар). Тырыстар мае нелінейную разрыўную вольтамперную характарыстыку (ВАХ).

Канструкцыя тырыстара[правіць | правіць зыходнік]

Мал. 1. Схемы тырыстара: a) Асноўная чатырохслаёвая p-n-p-n-структура b) Дыёдны тырыстар с) Трыёдны тырыстар.

Асноўная схема тырыстарнай структуры прадстаўлена на мал. 1. Яна ўяўляе сабой чатырохполюсную p-n-p-n прыладу, якая змяшчае тры паслядоўна злучаныя p-n пераходы J1, J2, J3. Кантакт да знешняга p-слоя называецца анодам, да знешняга n-слоя — катодам. У агульным выпадку p-n-p-n прылада можа мець два кіруючыя электроды (базы), далучаныя да ўнутраных слаёў. Прылада без кіруючых электродаў называецца дыёдным тырыстарам (або дыністарам). Прылада з адным кіруючым электродам называецца трыёдным тырыстарам або трыністарам (іншы раз проста тырыстарам).

Вольт-амперная характарыстыка тырыстара[правіць | правіць зыходнік]

Мал. 2. Вольтамперная характарыстыка тырыстара

ВАХ тырыстара (з кіруючымі электродамі або без іх) прыведзена на малюнку 2. Яна мае некалькі ўчасткаў:

  • Паміж кропкамі 0 і (Vвo,IL) знаходзіцца ўчастак, адпаведны высокаму супраціўленню прылады — прамое запіранне (ніжняя галіна).
  • У кропцы Vво адбываецца ўключэнне тырыстара.
  • Паміж кропкамі (Vво, IL) і (Vн,Iн) знаходзіцца ўчастак з адмоўным дыферэнцыяльным супраціўленнем beru — няўстойлівая вобласць пераходу ва ўключаны стан.
  • Участак ад кропкі (Vн,Iн) і вышэй адпавядае адкрытаму стану (прамой праводнасці).
  • У кропцы (Vн,Iн) праз прыладу працякае мінімальны ўтрымліваючы ток Ih.
  • Участак паміж 0 і Vbr апісвае рэжым адваротнага запірання прылады.
  • Участак злева ад Vbr — рэжым адваротнага прабою.

Рэжымы работы тырыстара[правіць | правіць зыходнік]

Рэжым адваротнага запірання[правіць | правіць зыходнік]

Мал. 3. Рэжым адваротнага запірання тырыстара

Два асноўныя фактары абмяжоўваюць рэжым адваротнага прабою і прамога прабою:

  1. Лавінны прабой beru.
  2. Пракол збедненай вобласці.

У рэжыме адваротнага запірання да анода прылады прыкладзена напружанне, адмоўнае адносна катода; пераходы J1 і J3 зрушаныя ў адваротным кірунку, а пераход J2 зрушаны ў прамым (гл. малюнак 3). У гэтым выпадку вялікая частка прыкладзенага напружання падае на адным з пераходаў J1 або J3 (у залежнасці ад ступені легіравання розных абласцей). Хай гэта будзе пераход J1. У залежнасці ад таўшчыні Wn1 слоя n1 прабой выклікаецца лавінным множаннем (таўшчыня збедненай вобласці пры прабоі менш Wn1) альбо праколам (збеднены слой распаўсюджваецца на ўсю вобласць n1, і адбываецца змыканне пераходаў J1 і J2).

Рэжым прамога запірання[правіць | правіць зыходнік]

Пры прамым запіранні напружанне на анодзе дадатнае адносна катода, і адваротна зрушаны толькі пераход J2. Пераходы J1 і J3 зрушаныя ў прамым кірунку. Вялікая частка прыкладзенага напружання падае на пераходзе J2. Праз пераходы J1 і J3 у вобласці, якія прымыкаюць да пераходу J2, інжэкціруюцца неасноўныя носьбіты, якія памяншаюць супраціўленне пераходу J2, павялічваюць ток праз яго і памяншаюць падзенне напружання на ім. Пры павышэнні прамога напружання ток праз тырыстар спачатку расце павольна, што адпавядае ўчастку 0-1 на ВАХ. У гэтым рэжыме тырыстар можна лічыць закрытым, бо супраціўленне пераходу J2 усё яшчэ вельмі вялікае. Па меры павелічэння напружання на тырыстары зніжаецца частка напружання, якое падае на J2, і хутчэй узрастаюць напружанні на J1 і J3, што выклікае далейшае павелічэнне току праз тырыстар і ўзмацненне інжэкцыі неасноўных носьбітаў у вобласць J2. Пры некаторым значэнні напружання (парадку дзясяткаў або соцень вольт), так званым напружанні пераключэння VBO (гл. ВАХ), працэс набывае лавінападобны характар, тырыстар пераходзіць у стан з высокай праводнасцю (уключаецца), і ў ім устанаўліваецца ток, вызначаны напружаннем крыніцы і супраціўленнем знешняга ланцуга.

Двухтранзістарная мадэль[правіць | правіць зыходнік]

Мал. 4. Двухтранзістарная мадэль трыёднага тырыстара, злучэнне транзістараў і суадносіны токаў у p-n-p транзістары.

Для тлумачэння характарыстык прылады ў рэжыме прамога запірання выкарыстаем двухтранзістарную мадэль. Тырыстар можна разглядаць як злучэнне p-n-p транзістара з n-p-n транзістарам, прычым калектар кожнага з іх злучаны з базай іншага, як паказана на малюнку 4 для трыёднага тырыстара. Цэнтральны пераход дзейнічае як калектар дзірак, інжэкціруемых пераходам J1, і электронаў, інжэкціруемых пераходам J3. Узаемасувязь паміж токамі эмітара IE, калектара IC і базы IB і статычным каэфіцыентам узмацнення па току α1 p-n-p транзістара таксама прыведзеная на мал. 4, дзе I — адваротны ток насычэння пераходу калектар-база.

Аналагічныя суадносіны можна атрымаць для n-p-n транзістара пры змене кірунку токаў на процілеглы. На малюнку 4 відаць, што калектарны ток n-p-n транзістара з'яўляецца адначасова базавым токам p-n-p транзістара. Аналагічна калектарны ток p-n-p транзістара і кіруючы ток Ig уцякаюць у базу n-p-n транзістара. У выніку, калі агульны каэфіцыент узмацнення ў замкнёнай пятлі перавысіць 1, становіцца магчымым рэгенератыўны працэс.

Ток базы p-n-p транзістара роўны

IB1 = (1 — α1)IA — ICo1.

Гэты ток таксама працякае праз калектар n-p-n транзістара. Ток калектара n-p-n транзістара з каэфіцыентам узмацнення α2 роўны

IC2 = α2IK + ICo2.

Прыраўняўшы IB1 і IC2, атрымаем

(1 — α1)IA — ICo1 = α2IK + ICo2.

Паколькі IK = IA + Ig, то

I_A=\frac{\alpha_2I_g+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha_1+\alpha_2)}

Гэтае ўраўненне апісвае статычную характарыстыку прылады ў дыяпазоне напружанняў да самага прабою. Пасля прабою прылада працуе як p-i-n-дыёд. Адзначым, што ўсе складнікі ў лічніку правай часткі ўраўнення малыя. Такім чынам, пакуль член α1 + α2 < 1, ток IA малы. (Каэфіцыенты α1 і α2 самі залежаць ад IA і звычайна растуць з павелічэннем току.) Калі α1 + α2 = 1, то назоўнік дробу становіцца нулём і адбываецца прамы прабой (або ўключэнне тырыстара). Варта адзначыць, што калі палярнасць напружання паміж анодам і катодам змяніць на адваротную, то пераходы J1 і J3 будуць зрушаныя ў адваротным кірунку, а J2 — у прамым. Пры такіх умовах прабой не адбываецца, бо ў якасці эмітара працуе толькі цэнтральны пераход і рэгенератыўны працэс становіцца немагчымым.

Рыс. 5. Энергетычная зонная дыяграма ў рэжыме прамога зрушэння: стан раўнавагі, рэжым прамога запірання і рэжым прамой праводнасці.

Шырыня збедненых слаёў і энергетычныя зонныя дыяграмы ў раўнавазе, у рэжымах прамога запірання і прамой праводнасці паказаныя на мал. 5. У раўнавазе збедненая вобласць кожнага пераходу і кантактны патэнцыял вызначаюцца профілем размеркавання прымесей. Калі да анода прыкладзена дадатнае напружанне, пераход J2 імкнецца зрушыцца ў адваротным кірунку, а пераходы J1 і J3 — у прамым. Падзенне напружання паміж анодам і катодам роўнае алгебраічнай суме падзенняў напружанняў на пераходах:

VAK = V1 + V2 + V3.

Па меры павышэння напружання ўзрастае ток праз прыладу і, такім чынам, павялічваюцца α1 і α2. Дзякуючы рэгенератыўнаму характару гэтых працэсаў прылада ў рэшце рэшт пяройдзе ў адкрыты стан. Пасля ўключэння тырыстара ток, які праходзіць праз яго, павінен быць абмежаваны знешнім супраціўленнем нагрузкі, у адваротным выпадку пры досыць высокім напружанні тырыстар выйдзе са строю. Ва ўключаным стане пераход J2 зрушаны ў прамым кірунку (мал. 5, в), і падзенне напружання

VAK = (V1 — |V2| + V3)

прыблізна роўнае суме напружання на адным прамазрушаным пераходзе і напружання на насычаным транзістары.

Рэжым прамой праводнасці[правіць | правіць зыходнік]

Калі тырыстар знаходзіцца ва ўключаным стане, усе тры пераходы зрушаныя ў прамым кірунку. Дзіркі інжэкціруюцца з вобласці p1, а электроны — з вобласці n2, і структура n1-p2-n2 паводзіць сябе аналагічна насычанаму транзістару з выдаленым дыёдным кантактам да вобласці n1. Такім чынам, прылада ў цэлым аналагічная p-i-n (p+-i-n+)-дыёду.

Адрозненне дыністара ад трыністара[правіць | правіць зыходнік]

Прынцыповых адрозненняў паміж дыністарам і трыністарам няма, аднак калі ўключэнне дыністара адбываецца пры павышэнні напружання паміж анодам і катодам, то ў трыністары для гэтага выкарыстоўваюць падачу імпульсу току вызначанай працягласці і велічыні на кіруючы электрод пры дадатнай рознасці патэнцыялаў паміж анодам і катодам. Трыністары з'яўляюцца найбольш распаўсюджанымі прыладамі з «тырыстарнага» сямейства.

Выключаюцца тырыстары альбо паніжэннем току праз тырыстар да значэння Ih, альбо зменай палярнасці напружання паміж катодам і анодам.

Характарыстыкі тырыстараў[правіць | правіць зыходнік]

Сучасныя тырыстары вырабляюць на токі ад 1 мА да 10 кА, напружанні ад некалькіх В да некалькіх кВ; хуткасць нарастання ў іх прамога току дасягае 109 А/сек, напружання — 109 В/сек, час уключэння мае велічыню ад некалькіх дзясятых долей да некалькіх дзясяткаў мкс, час выключэння — ад некалькіх адзінак да некалькіх соцень мкс; ккд дасягае 99 %.

Ужыванне[правіць | правіць зыходнік]

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]