Как работает тиристор: физика p-n-p-n структуры, ВАХ и расчет

Содержание страницы

1. Фундаментальная структура и принцип действия
2. Режимы работы и Вольт-амперная характеристика
3. Динамические процессы: Включение тиристора
4. Динамические процессы: Выключение тиристора
5. Разновидности тиристоров
6. Сравнительная таблица полупроводниковых ключей
7. Преимущества и недостатки
8. Интересные факты о тиристорах
9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Тиристор — это электронный аналог управляемого обратного клапана или механической защелки. Это полупроводниковый прибор, который может находиться только в двух устойчивых состояниях: закрытом (ток не течет) и открытом (ток течет с минимальным сопротивлением). Главная особенность тиристоров — способность коммутировать огромные мощности (тысячи ампер и вольт) при помощи слабого управляющего сигнала, а также свойство самоблокировки (лавинный процесс), которое отличает их от обычных транзисторов.

Историческая справка: История создания p-n-p-n приборов уходит корнями в 1950-е годы. Теоретические основы были заложены Уильямом Шокли (одним из изобретателей транзистора) в Bell Labs. Первый коммерческий тиристор (Silicon Controlled Rectifier — SCR) был представлен компанией General Electric в 1957 году. Это событие произвело революцию в силовой электронике, позволив заменить громоздкие ртутные выпрямители (игнитроны) и тиратроны на компактные твердотельные устройства. С тех пор технологии шагнули далеко вперед, но фундаментальная физика четырехслойной структуры остается неизменной.

1. Фундаментальная структура и принцип действия

Переключатели с p—n—p—n-структурой, широко известные как тиристоры, представляют собой класс полупроводниковых приборов, чей механизм действия базируется на внутренней положительной обратной связи. В отличие от транзистора, который работает в линейном режиме, тиристор работает в ключевом режиме, подобно реле.

1.1. Анатомия тиристора

Базовая структура тиристора представляет собой монокристалл полупроводника (обычно кремния), в котором сформированы четыре чередующихся слоя с различным типом проводимости: p-тип и n-тип. Эти слои образуют структуру p—n—p—n и три p—n-перехода, последовательно расположенных друг за другом.

Для удобства анализа и понимания работы переходы и выводы имеют специальные названия:

Анодный переход (J1): Переход между внешним p-слоем (анодным слоем) и внутренней n-базой.
Центральный переход (J2): Переход между внутренней n-базой и внутренней p-базой. Это основной блокирующий переход.
Катодный переход (J3): Переход между внутренней p-базой и внешним n-слоем (катодным эмиттером).

Рисунок 1. Обозначение и структура тиристора.
На схеме показана последовательность слоев: анодный p-слой, n-база, p-база, катодный n-слой. Вывод А (анод) подключен к внешнему p-слою, вывод К (катод) — к внешнему n-слою, а УЭ (управляющий электрод) — к внутренней p-базе.

Внешние выводы подключаются к крайним слоям: «Анод» (А) к p-слою и «Катод» (К) к n-слою. Управляющий электрод (Gate, УЭ) подключается к одному из внутренних слоев, чаще всего к p-слою, ближайшему к катоду (так называемое катодное управление).

Аналогия: Представьте тиристор как дверь с мощной защелкой. Пока защелка закрыта (тиристор заперт), дверь не открыть, как ни дави (до определенного предела прочности). Но стоит лишь слегка нажать на ручку защелки (подать импульс управления), как дверь распахивается и остается открытой потоком проходящих людей (током). Чтобы закрыть дверь снова, нужно, чтобы поток людей полностью прекратился.

1.2. Двутранзисторная модель

Для глубокого понимания физики процессов тиристор удобно рассматривать не как единый четырехслойный кристалл, а как составную схему из двух взаимосвязанных транзисторов разной проводимости: n—p—n и p—n—p.

Рисунок 2. Составная схема тиристора.
Представлена модель, где структура разделена на две части: транзистор VT1 (p-n-p) и транзистор VT2 (n-p-n). Коллектор одного транзистора электрически соединен с базой другого и наоборот, образуя петлю положительной обратной связи. Ток управления $I_y$ подается в базу n-p-n транзистора.

В этой модели:

Коллектор p-n-p транзистора соединен с базой n-p-n транзистора.
Коллектор n-p-n транзистора соединен с базой p-n-p транзистора.

Такое соединение создает петлю положительной обратной связи. Если в одну из баз впрыснуть ток, он усилится первым транзистором, попадет в базу второго, усилится вторым и вернется в базу первого, еще больше открывая его.

Математически это описывается уравнением для анодного тока $I_A$. Анодный ток является суммой токов, протекающих через центральный переход (который является коллекторным для обоих условных транзисторов):

I_A = \frac{I_{K0} + \alpha_{n-p-n} I_y}{1 — (\alpha_{n-p-n} + \alpha_{p-n-p})}

где:

$I_A$ — полный анодный ток тиристора;
$I_y$ — ток управления, втекающий в p-слой (базу n-p-n транзистора);
$\alpha_{n-p-n}$ — коэффициент передачи тока эмиттера n—p—n-транзистора (обычно зависит от тока эмиттера);
$\alpha_{p-n-p}$ — коэффициент передачи тока эмиттера p—n—p-транзистора;
$I_{K0}$ — тепловой ток утечки центрального перехода (ток при разомкнутой цепи управления).

Из формулы видно, что если сумма коэффициентов передачи $\alpha_{n-p-n} + \alpha_{p-n-p}$ приближается к единице, знаменатель дроби стремится к нулю, и анодный ток $I_A$ теоретически стремится к бесконечности (на практике ограничивается внешней цепью). Это и есть момент лавинообразного включения.

2. Режимы работы и Вольт-амперная характеристика

Поведение тиристора полностью описывается его вольт-амперной характеристикой (ВАХ), которая имеет резко нелинейный характер и состоит из нескольких участков.

Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика тиристора.
На графике показаны: $U_{BR}$ — напряжение лавинного пробоя; $U_{вкл}$ — напряжение переключения; $I_{уд}$ — ток удержания; $U_{АК}$ — напряжение анод-катод. Видно, что при подаче тока управления $I_{УЭ}$ напряжение включения снижается.

2.1. Закрытое состояние (Режим блокирования)

В выключенном состоянии тиристор должен выдерживать высокое напряжение, не пропуская ток. Это характеризуется двумя режимами:

Прямое блокирование

Если на анод подан «плюс», а на катод «минус» (прямое смещение), крайние переходы (J1 и J3) смещены в прямом направлении, но центральный переход J2 смещен в обратном направлении. Он оказывается закрытым и воспринимает все приложенное напряжение. Область пространственного заряда (ОПЗ) расширяется преимущественно в сторону низколегированного n-слоя (n-базы).

Обратное блокирование

Если на анод подан «минус», а на катод «плюс» (обратное смещение), то переходы J1 и J3 закрыты, а центральный J2 открыт. Однако, так как катодный переход J3 обычно сильно легирован и имеет низкое напряжение пробоя (не более 15–20 В), основную нагрузку по блокированию берет на себя анодный переход J1. ОПЗ снова расширяется в глубь n-слоя.

Важно: Именно параметры n-слоя (его толщина $W_n$ и удельное сопротивление $\rho_n$) определяют класс тиристора по напряжению. Чем толще и чище этот слой, тем большее напряжение выдержит прибор.

Предельная ширина области пространственного заряда $W_0$ перед пробоем может быть оценена эмпирической формулой (для кремния):

W_0 \approx 0.52 \rho_n \sqrt{U_{BR}} \leq W_n

где $\rho_n$ — удельное сопротивление n-базы (Ом·см), а $U_{BR}$ — напряжение лавинного пробоя (В). Если ширина базы $W_n$ окажется меньше $W_0$, произойдет «прокол» базы (punch-through), и прибор выйдет из строя.

Пример расчета:
Рассмотрим силовой тиристор класса 20 (на 2000 В). Технологический запас требует $U_{BR} \approx 2700$ В. При использовании кремния с удельным сопротивлением $\rho_n = 80$ Ом·см, минимальная толщина n-слоя должна быть:
$$ W_n \geq 0.52 \cdot 80 \cdot \sqrt{2700} \approx 216 \text{ мкм} $$
На практике делают еще толще (около 250-290 мкм) для надежности.

2.2. Условие включения

Чтобы перевести тиристор в проводящее состояние, необходимо подать импульс тока в цепь управления. Это вызывает инжекцию носителей заряда в базы. Коэффициенты передачи тока $\alpha$ у транзисторов сильно зависят от тока эмиттера (при малых токах они малы из-за рекомбинации). С ростом тока они растут.

Используя дифференциальные коэффициенты передачи $\alpha^* = \Delta I_K / \Delta I_E$, условие регенеративного переключения (точка, где процесс становится необратимым) записывается как:

\alpha^*_{n-p-n} + \alpha^*_{p-n-p} \geq 1

Как только это условие выполняется, тиристор самопроизвольно открывается полностью, даже если убрать управляющий сигнал.

2.3. Включенное состояние (Режим проводимости)

В открытом состоянии все три p-n перехода смещены в прямом направлении (центральный переход инвертируется за счет огромной концентрации накопленных носителей заряда). Тиристор ведет себя как диодная структура $p^+ — i — n^+$ с глубокой модуляцией проводимости баз.

Падение напряжения $U_{VS}$ на открытом приборе мало (обычно 1.2 – 2.5 В для высоковольтных приборов) и рассчитывается по сложной физической формуле, учитывающей падение на переходах и омическое падение в базах:

U_{VS} = 2\phi_T \ln \left( \frac{I_A}{I_S} \right) + \frac{1.5\phi_T \exp(W_n / 2L)}{ \sqrt{I_A}} + I_A R_{bulk}

Для инженерных расчетов часто используют линейную аппроксимацию ВАХ:
$ U_{VS} \approx U_{VS0} + I_A \cdot r_T $, где $U_{VS0}$ — пороговое напряжение, $r_T$ — динамическое сопротивление.

3. Динамические процессы: Включение тиристора

Тиристор не может включиться мгновенно. Процесс перехода из закрытого состояния в открытое — это сложный физический процесс распространения электронно-дырочной плазмы по кристаллу.

Рисунок 4. Диаграммы переходного процесса при включении тиристора.
Показаны этапы: $t_{зд}$ — время задержки (пока ток не начал расти), $t_{нар}$ (регенерации) — крутой фронт тока, $t_{расп}$ — время распространения включенного состояния. Напряжение на тиристоре $U_{AK}$ падает по мере роста тока.

Процесс включения делится на 4 этапа:

Задержка включения ($t_{зд}$):
Время от подачи импульса управления до момента, когда анодный ток достигнет 10% от максимума. В это время заряжаются барьерные емкости переходов эмиттеров и электроны проходят транзит через базу. Для мощных приборов это время составляет 0.1–0.2 мкс. Критически важно, чтобы ток управления имел крутой фронт и достаточную амплитуду ($I_y \geq 1$ А для мощных тиристоров), чтобы минимизировать это время.
Регенерация (Нарастание тока):
Лавинообразный процесс. Ток растет экспоненциально:
$I_A(t) \approx B_0 I_y \exp(t/\tau_0)$
Здесь $\tau_0$ — постоянная времени нарастания (0.1–0.2 мкс). На этом этапе напряжение на тиристоре резко падает, но плотность тока в области первичного включения (возле управляющего электрода) колоссальна.
Установление стационарного состояния:
Напряжение продолжает спадать, так как модуляция проводимости (насыщение базы носителями) продолжается.
Напряжение на n-слое спадает по закону:
$U_{AK}(t) \approx U_{VS0} + [U_n(t_{рег}) — U_{VS0}] \exp \left( — \frac{t — t_{рег}}{\tau_y} \right)$
Распространение включенного состояния ($t_{расп}$):
Сначала ток течет только узким шнуром около управляющего электрода (площадь $S_0 \approx 0.1 \text{ см}^2$). Затем проводящая область («плазма») начинает расползаться по всей площади кремниевой пластины. Скорость распространения невелика (0.05–0.1 мм/мкс) и зависит от плотности тока.

Опасность dI/dt: Если анодный ток нарастает быстрее, чем расширяется включенная область, плотность тока в начальной точке («шнуре») превысит критическую. Это приведет к локальному перегреву и разрушению кристалла. Это называется выходом из строя по скорости нарастания тока ($dI/dt$).

Площадь включения во времени растет по формуле:

S(t) \approx S_0 + k I_A t

Время полного включения для мощных тиристоров с диаметром пластины 50-100 мм может достигать сотен микросекунд!

4. Динамические процессы: Выключение тиристора

Выключить обычный тиристор сложнее, чем включить. Просто снять управление недостаточно — процесс регенерации поддерживает сам себя. Чтобы выключить прибор, нужно принудительно снизить ток анода ниже тока удержания ($I_{уд}$) или подать обратное напряжение.

4.1. Время выключения ($t_q$)

Это интервал времени от момента прохождения анодного тока через ноль до момента, когда тиристор снова способен выдерживать прямое напряжение.

Физически в это время происходит рекомбинация избыточных носителей заряда, накопленных в базах. Пока заряд не рассосется, повторная подача прямого напряжения приведет к самопроизвольному включению.
Расчет времени выключения:

t_q = \tau_p \ln \left( \frac{I_A}{I_{уд}} \right)

где $\tau_p$ — время жизни неосновных носителей (дырок) в n-базе. Для быстрых тиристоров $\tau_p$ искусственно уменьшают (легированием золотом или облучением), но это увеличивает прямое падение напряжения. Это вечный компромисс силовой электроники.

Пример:
Тиристор 2000В/250А. Время жизни $\tau_p = 5.2$ мкс, ток удержания $I_{уд} = 0.75$ А.
При выключении тока 250 А время восстановления составит:
$$ t_q = 5.2 \cdot \ln(250 / 0.75) \approx 5.2 \cdot 5.8 \approx 30 \text{ мкс} $$

4.2. Эффект dU/dt

Если на закрытый тиристор подать прямое напряжение с очень высокой скоростью нарастания ($dU/dt$), через барьерную емкость центрального перехода $C_{KB}$ потечет ток смещения:

i_C = C_{KB} \frac{dU}{dt}

Этот ток работает как ток управления. Если он превысит порог отпирания, тиристор самопроизвольно включится. Это может привести к аварии. Для защиты используют демпфирующие RC-цепи (снабберы).

5. Разновидности тиристоров

В зависимости от способа управления и характеристик различают:

SCR (Silicon Controlled Rectifier): Классический однооперационный тиристор. Выключается только снятием тока анода. Самый мощный и высоковольтный.
GTO (Gate Turn-Off): Двухоперационный (запираемый). Выключается подачей мощного отрицательного импульса тока в управляющий электрод.
Симистор (Triac): Симметричный тиристор, проводящий ток в обе стороны. Идеален для сетей переменного тока (диммеры, плавный пуск двигателей).
Фототиристор: Включается потоком света. Используется в высоковольтных развязках и оптронах.

6. Сравнительная таблица полупроводниковых ключей

Чтобы понять место тиристора в современной электронике, сравним его с конкурентами.

Параметр	Тиристор (SCR)	Транзистор IGBT	Транзистор MOSFET	Запираемый тиристор (GTO/IGCT)
Управление	Импульс (только вкл)	Напряжение (вкл/выкл)	Напряжение (вкл/выкл)	Ток (вкл/выкл)
Рабочее напряжение	До 12 кВ (Очень высокое)	До 6.5 кВ (Высокое)	До 1 кВ (Среднее)	До 6-10 кВ
Рабочий ток	До 5000 А и выше	До 3600 А	До 200-300 А	До 4000 А
Частота коммутации	Низкая (< 1 кГц)	Средняя (до 20-50 кГц)	Высокая (> 100 кГц)	Низкая (< 2 кГц)
Сложность драйвера	Простая	Средняя	Простая	Очень сложная

7. Преимущества и недостатки

Преимущества:

Самая высокая плотность мощности среди всех полупроводниковых ключей.
Способность выдерживать огромные перегрузки по току (ударные токи) в течение короткого времени (до 10 крат от номинала).
Низкое падение напряжения в открытом состоянии при высоковольтных исполнениях (высокий КПД).
Высокая надежность и долговечность при правильной эксплуатации.
Относительно низкая стоимость за киловатт коммутируемой мощности.

Недостатки:

Неполная управляемость (для SCR): нельзя выключить по желанию без дополнительных силовых цепей коммутации в цепях постоянного тока.
Низкая скорость работы (килогерцовый диапазон), что делает невозможным создание компактных высокочастотных преобразователей.
Склонность к самопроизвольному включению при высоких $dU/dt$.
Сложная защита от сверхтоков (предохранители должны быть быстродействующими).

8. Интересные факты о тиристорах

Космическая надежность. Тиристоры являются одними из немногих приборов, способных работать в системах электропитания космических аппаратов и ядерных реакторов благодаря своей устойчивости к радиации (радиационно-стойкие исполнения) и импульсным помехам.
Размеры гигантов. Самые мощные промышленные тиристоры имеют диаметр кремниевой пластины более 150 мм (как блюдце) и коммутируют токи, способные мгновенно испарить толстый лом. Для прижатия контактов к таким «таблеткам» используется усилие в несколько тонн.
Эффект памяти. В ранних компьютерных системах 60-х годов тиристоры рассматривались как элементы памяти, так как они могут хранить состояние «включено» или «выключено».
Световое управление. В высоковольтных линиях передач постоянного тока (HVDC) используются тиристоры с прямым световым управлением (LTT), где вместо электрического провода к затвору идет оптоволокно. Это решает проблему изоляции на напряжениях в сотни тысяч вольт.
Золотое легирование. Для ускорения работы тиристоров в кремний диффундируют атомы золота или платины. Эти атомы создают центры рекомбинации («ловушки»), которые быстро «убивают» свободные носители заряда при выключении, хотя это и повышает нагрев прибора.
Отрицательное сопротивление. На участке включения ВАХ тиристора обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением, что теоретически позволяет строить на них генераторы, хотя на практике это применяется редко (динисторы).
Убийца ртути. Изобретение тиристора практически полностью уничтожило индустрию ртутных выпрямителей (игнитронов), которые были токсичными, хрупкими и занимали целые комнаты.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему тиристор не выключается, если убрать напряжение с управляющего электрода?

Это связано с механизмом внутренней положительной обратной связи (регенерации). Как только прибор открылся, два внутренних транзистора (p-n-p и n-p-n) подпитывают базы друг друга током коллектора. Этот процесс самоподдерживающийся до тех пор, пока внешний ток через анод достаточно велик для поддержания этой подпитки (больше тока удержания $I_{уд}$).

2. Можно ли использовать тиристор в цепях постоянного тока?

Да, можно, но с ограничениями. Включить его легко, а вот чтобы выключить, придется принудительно разорвать цепь, создать искусственное короткое замыкание параллельно тиристору или использовать резонансный контур для создания обратного напряжения. Поэтому в DC-цепях чаще используют транзисторы или запираемые тиристоры (GTO).

3. Как проверить тиристор мультиметром?

В режиме прозвонки диодов: Анод-Катод должны показывать обрыв в обе стороны. Управляющий электрод-Катод должны звониться как диод (в одну сторону). Чтобы проверить на открытие, можно собрать простую схему с батарейкой и лампочкой: кратковременное касание управляющего электрода плюсом батареи должно зажечь лампу, и она должна гореть после размыкания управляющей цепи (если ток лампы выше тока удержания).

4. Что такое снаббер (snubber) и зачем он нужен?

Снаббер — это RC-цепочка (резистор и конденсатор), подключенная параллельно тиристору. Она защищает прибор от самопроизвольного включения при резких скачках напряжения (эффект $dU/dt$), поглощая энергию всплеска и ограничивая скорость нарастания напряжения.

5. Чем симистор отличается от тиристора?

Тиристор пропускает ток только в одну сторону (как диод), а симистор — в обе. Конструктивно симистор представляет собой два тиристора, включенных встречно-параллельно в одном кристалле. Это делает симистор идеальным для управления нагрузкой в сетях переменного тока (220В).

Заключение

Тиристоры остаются «рабочими лошадками» силовой энергетики. Несмотря на активное вытеснение IGBT-транзисторами в диапазоне средних мощностей, в области сверхвысоких токов и напряжений (мегаваттный класс, линии электропередач, электролиз алюминия) тиристоры не имеют конкурентов по надежности и эффективности. Понимание физики их работы, динамических процессов включения и выключения, а также ограничений по $dI/dt$ и $dU/dt$ является обязательным навыком для любого инженера силовой электроники.

Нормативная база

При проектировании и эксплуатации устройств с тиристорами необходимо руководствоваться следующими стандартами (проверьте актуальность статуса для вашего региона):

ГОСТ 20859.1-89 — Приборы полупроводниковые силовые. Общие технические условия. (Базовый стандарт для силовых приборов в странах СНГ).
ГОСТ 15133-77 — Приборы полупроводниковые. Термины и определения. (Содержит корректные определения параметров $t_q$, $U_{TM}$ и др.).
ГОСТ 24461-80 — Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний.
IEC 60747-6 — Международный стандарт (International Electrotechnical Commission) для тиристоров (Thyristors).

Устройство и принцип действия тиристора: Силовые полупроводниковые вентили