Механизм работы тиристора можно пояснить на основе 2-х электродной структуры (динистора), схема включения которого представлена на рисунке.
При обратном смещении к области p1 прикладывается отрицательный потенциал внешнего источник, а к области n2 – положительный потенциал. При этом оба крайних перехода смещены в обратном направлении, а центральный переход – в прямом направлении.
Вольт-амперная характеристика структуры при таком смещении не имеет особенностей и может быть представлена суммарной характеристикой двух полупроводниковых диодов, включенных согласно и последовательно и смещенных в обратном направлении. Режим обратного смещения для динистора является нерабочим режимом. Главным условием эксплуатации прибора в этом режиме является непопадание в зону электрического, и тем более теплового, пробоя.
При прямом смещении переходы П1 и П3 смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. В такой схеме практически все напряжение будет приложено к переходу П2.
Четырехслойную структуру можно рассматривать как сочетание двух биполярных транзисторов в одном приборе: p1-n1-p2 и n2-p2-n1. Слои n1 и p2 служат базами для одного транзистора и коллекторами для другого одновременно.
В таком представлении переходы П1 и П3 являются эмиттерными, а П2 – коллекторным или центральным.
Область p1 будет представлять собой эмиттер, инжектирующий дырки в область n1 (базу). Дырки, прошедшие базу n1 и переход П2, появляются в области p2. Их нескомпенсированный положительный объемный заряд будет понижать высоту потенциального барьера перехода П3 и вызывать встречную инжекцию электронов.
Аналогично область n2 будет представлять собой эмиттер, инжектирующий электроны в базу p2. Инжектированные электроны снижают потенциальный барьер перехода П1 и вызывают встречную вторичную инжекцию дырок.
Таким образом, обе крайние области выполняют роль эмиттеров, причем каждый эмиттер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эмиттера.
Этим создаются предпосылки развития лавинообразного процесса, который начинается при некотором напряжении на структуре.
Ток через переход П2 складывается из трех составляющих:
- Обратный ток IК0 центрального перехода, который зависит от напряжения на переходе.
- Ток дырок Ip, эмитированных из слоя p1 в слой n1 и дошедших до перехода П2, а также возникших вследствие лавинного умножения в переходе П2. Как в любом транзисторе, этот ток определяется соотношением
I_p=\alpha_1\cdot I_1,
где α1 – коэффициент передачи тока транзистора p1-n2-p2; I1 – ток через переход П1.
- Ток электронов In, эмиттированных из слоя n2 в слой p2 и дошедших до перехода П2, а также возникших вследствие лавинного умножения в переходе П2:
I_n=\alpha_2\cdot I_3,
где α2 – коэффициент передачи тока транзистора n2-p2-n1; I3 – ток через переход П3.
Тогда ток через переход П2 можно записать в следующем виде:
I_{П2}=\alpha_1\cdot I_1+\alpha_2\cdot I_3+I_{K0}.
Учитывая, что в любом сечении прибора протекает один и тот же ток:
I_{П2}=I_1=I_3=I,
получаем
I=\displaystyle\frac {I_{K0}} {1-(\alpha_1+\alpha_2)} .
Последнее выражение в неявном виде предопределяет поведение вольт-амперной характеристики тиристора. Следует учесть, что в области малых токов интегральный коэффициепнт передачи биполярных транзисторов зависит от величины тока эмиттера, поэтому:
I=\displaystyle\frac {I_{K0}} {1-(\alpha_1(I)+\alpha_2(I))} .
На рисунке представлена вольт-амперная характеристика тиристора. Ток через структуру определяется с одной стороны, увеличением тока IК0 с ростом приложенного напряжения, с другой стороны, зависимостью интегральных коэффициентов передачи от тока эмиттеров.
На участке 0–1 в области малых токов можно считать, что через прибор течет ток, определяемый только током IК0, поскольку при малых токах сумма (α1+α2)«1. Инжекционными составляющими токов переходов П1 и П3 можно пренебречь, т.е. практически все носители, инжектированные переходами П1 и П3, рекомбинируют в соответствующих областях n1 и p2, не доходя до П2.
По мере увеличения напряжения возрастает ток IК0, а с ним и токи эмиттеров p1 и n2, что, в свою очередь, вызывает увеличение коэффициентов передачи эмиттерных токов α1 и α2. Поэтому результирующий ток растет намного быстрее, чем ток IК0 за счет увеличения токов инжекции.
На переходном участке (вблизи точки 1) рост напряжения замедляется, а сопротивление резко падает. Сумма (α1+α2) становится весьма близкой к 1, и начинается лавинное нарастание тока в цепи, в результате чего в точке 1 тиристор переключается, поскольку создаются условия для отпирания тиристора. Точка 1 является граничной точкой.
При дальнейшем увеличении тока (участок 1–2) растут коэффициенты α1 и α2, т.е. перехода П2 достигает все большее число неосновных носителей, эмитированных слоями p1 и n2. Базовые области начнут заряжаться, причем база p2 – положительно, а база n1 – отрицательно. Поэтому напряжение на центральном переходе станет меньше, как и ток IК0. Одновременно избыточные носителя заряда в базах снижают потенциальные барьеры эмиттерных переходов П1 и П3, вызывая дополнительную инжекцию носителей заряда. Это приводит к еще большему возрастанию коэффициентов α1 и α2 и заполнению носителями зарядов обеих баз тиристора. В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному развитию процесса его отпирания. Таким образом, на ВАХ появляется участок с отрицательным динамическим сопротивлением (участок 1–2).
На участке 1–2 действуют два основных фактора:
- уменьшение напряжения на переходе П2;
- действие внутренней положительной обратной связи, благодаря которой процесс имеет скачкообразный характер (встречная инжекция).
В конце участка 1–2 вблизи точки 2 сумма α1 + α2 стремится к 1, а напряжение на переходе П2 становится равным нулю. Затем (на участке 2–3) центральный переход входит в режим насыщения, напряжение на нем меняет полярность, и происходит встречная инжекция дырок из области p2 в область n1 и электронов из области n1 в область p2.
На участке 2–3, соответствующем включенному состоянию тиристора, все три перехода оказываются смещенными в прямом направлении. Напряжение на переходах П1 и П3 противоположны по знаку напряжению на переходе П2. Поэтому падение напряжения на приборе (0,75…1,5 В) примерно равно падению напряжения на одном переходе (как в диоде).
Увеличение падения напряжения на тиристоре на участке 2–3 при движении по кривой от точки 2 к точке 3 объясняется повышением напряжения на переходах и ростом падения напряжения на слоях полупроводниковой структуры с увеличением тока.
Существенным недостатком диод-тиристора является отсутствие возможности управлять величиной напряжения переключения. Единственная величина, которую мы можем менять при работе с такой структурой – это внешнее приложенное напряжение.
Гораздо большие возможности для использования представляет тиристор, в котором существует вывод одной из промежуточных областей четырехслойной структуры, получивший название управляющего электрода.