Тырыстар

Тыры́стар (грэч. thyra дзверы + англ.: (res)istor супраціўленне) — кіроўны пераключальны дыёд са шматслойнай структурай электронна-дзірачных пераходаў (p-n). Праводзіць ток толькі ў адным кірунку (вентыль) і мае два ўстойлівыя станы: нізкай праводнасці (тырыстар закрыты) і высокай праводнасці (тырыстар адкрыты). Характарыстыкамі прапускання падобны да іоннага тыратрона, адсюль іншая (гістарычная) назва: паўправодніковы тыратрон.

Абазначэнне на схемах

У электрычную схему ўключаецца: катодам-анодам у сілавы ланцуг, катодам-кіроўным электродам у кіравальны ланцуг. Імпульс току ў кіравальным ланцугу прыводзіць да адкрывання тырыстара. Кіравальны імпульс фарміруецца вонкава або ўнутры самой прылады, напрыклад, фотаэфектам (фотатырыстар).

Тырыстар мае нелінейную разрыўную вольтамперную характарыстыку (ВАХ).

Асноўныя параметры: ток прапускання, час уключэння, час выключэння.

Канструкцыя тырыстара

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

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 — 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 I_h.
• Участак паміж 0 і Vbr апісвае рэжым адваротнага запірання прылады.
• Участак злева ад Vbr — рэжым адваротнага прабою.

Рэжымы работы тырыстара

Рэжым адваротнага запірання

Мал. 3. Рэжым адваротнага запірання тырыстара

Два асноўныя фактары абмяжоўваюць рэжым адваротнага прабою і прамога прабою:

1. Лавінны прабой.
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 W_n1 слоя n1 прабой выклікаецца лавінным множаннем (таўшчыня збедненай вобласці пры прабоі менш W_n1) альбо праколам (збеднены слой распаўсюджваецца на ўсю вобласць n1, і адбываецца змыканне пераходаў J1 і J2).

Рэжым прамога запірання

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 V_BO (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

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 I_E, калектара I_C і базы I_B і статычным каэфіцыентам узмацнення па току α₁ p-n-p транзістара таксама прыведзеная на мал. 4, дзе I_Cо — 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 I_g 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

I_B1 = (1 — α₁)I_A — I_Co1.

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

I_C2 = α₂I_K + I_Co2.

Прыраўняўшы I_B1 і I_C2, атрымаем

(1 — α₁)I_A — I_Co1 = α₂I_K + I_Co2.

Паколькі I_K = I_A + I_g, то

$I_{A}={\frac {\alpha _{2}I_{g}+I_{Co1}+I_{Co2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})}}$

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 I_A малы. (Каэфіцыенты α1 і α2 самі залежаць ад I_A 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:

V_AK = 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

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

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 I_h, альбо зменай палярнасці напружання паміж катодам і анодам.

Характарыстыкі тырыстараў

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

• Электронныя ключы
• Кіруемыя выпрамляльнікі
• Ператваральнікі (інвертары)
• Рэгулятары магутнасці (трымеры)

Гл. таксама

• Дыёд
• Рэзістар
• Транзістар
• Тэрмістар
• Сімістар
• Ключ, электратэхніка