13.1.2 Диністорний режим

Структура диністора показана на рисунку 13.2, а.

Рисунок 13.2Структура (а) , транзисторна схема заміщення (б) та ВАХ тиристора у диністорному режимі

 

            На рисунку 13.2 диністор увімкнено до кола разом із джерелом напруги  і навантаженням . Будемо вважати, що верхня p-область чотиришарової структури диністора з’єднана з електродом, що називається анодом, а нижня область з’єднана з катодом. Області тиристора    називатимемо  (зверху донизу)    p-емітер,     n-база,   p-база,

n-емітер.

При прикладенні зовнішньої напруги мінусом до анода і плюсом до катода емітерні переходи ЕП1 та ЕП2 вмикаються у зворотному напрямі, і через прилад проходить малий зворотний струм двох послідовно з’єднаних p-nпереходів (ділянка I на ВАХ рисунку 13.2, в).

Якщо змінити полярність джерела напруги, то переходи ЕПI та ЕП2 вмикаються у прямому напрямі, а середній, колекторний перехід КП – у зворотному. Через емітерні переходи здійснюються інжекція дірок (через ЕП1) та електронів (через ЕП2) до відповідних баз. Майже вся зовнішня напруга падає на великому опорі КП. Збільшення цієї напруги призводить до подальшого зменшення потенціальних бар’єрів ЕП1 та ЕП2 і збільшення інжекції через переходи. Дірки, інжектуючи через ЕП1, дифундують через n-базу, екстрагуються прискорювальним полем КП до області p-бази і накопичуються там, тому що подальша їх дифузія затримується гальмувальним полем ЕП2. Аналогічне відбувається і з електронами, які інжектують через ЕП2 до p-бази. Таким чином, у p-базі накопичується надлишковий позитивний заряд, а в базі – надлишковий негативний заряд.

Процеси у тиристорі свідчать про появу внутрішнього позитивного зворотного зв’язку. Механізм його дії полягає у наступному. Збільшення інжекції дірок до n-бази через ЕП1 приводить до накопичення цих дірок у p-базі. Зростання позитивного заряду p-бази приводить до подальшого прямого зміщення ЕП2 і збільшення інжекції електронів через нього. Це явище, у свою чергу, сприяє зростанню негативного заряду n-бази і додатковому прямому зміщенню ЕП1. Внаслідок цього інжекція дірок з p-емітера через ЕП1 ще більше зростає і т.д.

При прямих напругах < тиристор ще закритий, бо його опір – це фактично опір КП у зворотному вмиканні. Деяке зростання струму анода  при збільшенні анодної напруги  на ділянці II пояснюється збільшенням інжекції через переходи ЕП1 та ЕП2 при збільшенні на них прямих напруг, а також зменшення потенціального бар’єра КП внаслідок накопичення надлишкового заряду в базах.

При анодній напрузі = різниця потенціалів між p- та n- базою за рахунок попереднього накопичення зарядів дорівнює величині зовнішньої напруги на КП. На КП в цьому випадку діє нульова результуюча напруга, і перехід відкривається. Відбувається різке зменшення внутрішнього опору тиристора і зростання анодного струму, що супроводжується зменшенням прямої напруги на приладі.

 Цей спад напруги дорівнює сумі спадів напруги на трьох p-n - переходах, увімкнених у прямому напрямі (приблизно 0.7 В), спад напруги на n –  базі (0.12 В) і спадів напруги на емітерах (приблизно 0.2 – 0.3 В). Таким чином, сумарний спад  напруги на ввімкненому диністорі становить приблизно 1 В.

Отже, процес відкривання (ввімкнення) тиристора полягає в різкому зменшенні опору за рахунок прямого ввімкнення КП, збільшенні струму через прилад одночасно зі зменшенням спаду напруги. Ці обставини приводять до формування на ВАХ диністора ділянки з негативним диференційним опором (ділянка III на рисунку 13.2, в). Після закінчення процесу ввімкнення приладу робоча точка на ВАХ переходить на ділянку IV (рисунок 13.2, в).

 Щоб унаслідок багаторазового зростання струму  не відбулося руйнування кристалічної структури диністора, до  кола послідовно з приладом і джерелом живлення вмикають навантаження. І тоді струм у колі з відкритим тиристором дорівнює

 

.

 

Диністор у відкритому стані (ділянка IV на ВАХ) знаходиться доки, поки струм, що проходить через нього, підтримує у базах надлишкові заряди, які, у свою чергу, забезпечують відкритий стан КП. Зниження струму  до величин  приведе до того, що процес рекомбінації у базах почне відбуватися швидше, ніж процес накопичення, і КП знову ввімкнеться у зворотному напрямі.

Диністор може бути зображений у вигляді системи двох  біполярних транзисторів p-n-p  та  n-p-n типів             (рисунок 13.2, б). На ділянці II ВАХ диністора (рисунок 13.2, в) обидва транзистори перебувають у активному режимі.

 Збільшення зовнішньої напруги приводить до зростання емітерного струму  p-n-p – ранзистора, збільшення його колекторного струму, тобто зменшення його внутрішнього опору. Внаслідок цього зростає позитивний потенціал бази n-p-n - транзистора, що також збільшує емітерний і колекторний струми останнього і, отже, зменшує внутрішній опір n-p-n –  транзистора. Тому на базі p-n-p транзистора зростає негативний потенціал, і транзистор ще більше відкривається. У двотранзисторній схемі рисунка 13.2, б, яке є схемою заміщення реального тиристора, діє таким чином, позитивний зворотний зв’язок. При деякій зовнішній напрузі (=) обидва транзистори переходять у режим насичення, і опір схеми значно знижується.

Позначивши коефіцієнт передачі струмів цих транзисторів через  та , одержимо, що через КП у стані зворотного ввімкнення проходить струм

 

=++,                     (13.1)

 

де , , - струми , КП та відповідно.

                Оскільки всі переходи тиристора з’єднані послідовно, то === . Тоді

=.                              (13.2)

 

Значення коефіцієнтів  і , як бачимо,  залежать від струмів емітера  та  (рисунок 13.3).

 

Рисунок 13.3Залежності =, =

Поки +<1, диністор знаходиться у вимкненому стані (ділянка II на ВАХ ). При = сума + дорівнюватиме одиниці, і починається за формулою (13.2) лавиноподібний процес збільшення струму .     Лавинний, стрибкоподібний процес ввімкнення тиристора спричинюється дією позитивного зворотного зв’язку.

                Величина напруги  буде тим більша, чим меншими будуть початкові значення коефіцієнтів передач струмів емітера  та . Для зменшення початкових значень цих коефіцієнтів ширину однієї з баз роблять значно більшою за  дифузійну довжину носіїв заряду. Крім того, щоб забезпечити досить велике значення , один з емітерних переходів шунтується розподільним опором бази (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4Диністор з зашунтованим емітерним переходом

 

            У цьому випадку зменшення коефіцієнта передачі струму забезпечується наступним чином. При малих напругах на тиристорі майже весь струм проходить через шунтувальний  опір бази, обминаючи правий p-nперехід. У відкритому стані диністора опір переходу 3 малий, і струм проходитиме через цей перехід, обминаючи шунтувальний  опір бази. При цьому величина  різко зростає. Наявність більш сильної залежності коефіцієнта передачі від струму анода приводить до підвищення стабільності параметрів ВАХ диністора.