Тиристором называют полупроводниковый прибор, имеющий три основных рабочих состояния: непроводящее, закрытое и открытое.
Типичная структура тиристора - четырехслойная, с чередующимися слоями полупроводника р-типа и п-типа. На основе этой структуры в зависимости от числа выводов могут быть изготовлены два типа тиристоров: диодные, называемые динисторами, и триодные, называемые тринисторами.

Динисторы

Диодные тиристоры имеют два вывода: от наружного слоя p1 - вывод анода (А), от наружного слоя п1 - вывод катода (К). Условное графическое обозначение, структура и схема включения показаны на рис.2.32.

Исходным материалом служит кремний п-типа, в кристалле которого создается структура р-п-р-п. Слои р2 и n2 имеют большую концентрацию примесей, a p1 и особенно п1 - меньшую.
Крайние слои тиристора называют эмиттерами (Э1 и Э2), средние – базами (Б1 и Б2). Вольтамперная характеристика динистора имеет вид (рис.2.33).

При обратном напряжении между анодом и катодом (рис.2.34, а) переходы П1 и П3 находятся под обратным напряжением, а переход П2 - под прямым. На переходе П2 падение напряжения очень мало, поэтому все внешнее напряжение Uaк распределяется фактически между переходами П1 и П3. В этом случае тиристор ведет себя так же, как диод при обратном напряжении; анодный ток практически отсутствует, и тиристор находится в непроводящем состоянии (участок 1 на характеристике динистора).

При прямом включении (рис.3.34, б) переходы П 1 и П3 смещаются в прямом, а П2 – в обратном направлении. Поэтому в цепи протекает незначительный анодный ток Iа,определяемый обратным током перехода П2 - Iкобр (участок 2 на характеристике тиристора).
Физические процессы в тиристоре при прямом напряжении очень сложны, поэтому рассмотрение их принято проводить, представив структуру тиристора в виде двух транзисторов с разными типами электропроводности, у каждого из которых база соединена с коллектором другого (рис.3.35). Первый из этих двух транзисторов T1 р-п-р -типа, а второй Т2 п-р-п - типа. Переход П2 является общим для обоих транзисторов коллекторным переходом.

На эмиттерных переходах действует прямое напряжение, а на коллекторном - обратное, что соответствует активному режиму работы транзисторов.
С увеличением прямого напряжения все больше дырок из области Э1 через базу Б1 и переход П2 переходит в область Б2, одновременно увеличивается поток электронов из области Э2 через область Б2 и переход П2 в область Б1. Эти носители заряда, скапливаясь по обе стороны от перехода П2 (дырки в базе Б2 и электроны в базе Б1), создают электрическое поле, направленное встречно полю, созданному обратным напряжением, и понижают потенциальный барьер коллекторного перехода П2. При напряжении Uак, называемым напряжением включения или переключения Uпрк, переход П2также смещается в прямом направлении. Процесс протекает лавинообразно, что и обуславливает участок 3 с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на тиристоре уменьшается, так как ни на одном из переходов нет обратного напряжения. Это соответствует участку 4 на рис.2.33.
После включения тиристора его работа осуществляется при открытом состоянии, когда небольшое увеличение напряжения вызывает быстрый рост тока через тиристор. Этот участок вольтамперной характеристики тиристора в прямом направлении соответствует прямой ветви характеристики диода.
Таким образом, ток, протекающий через тиристор, определяется только источником питания Е и сопротивлением нагрузки, т.к. падение напряжения на открытом тиристоре Uос мало (для маломощных тиристоров оно составляет 0,5…1 В). И поэтому Iа » Еа/Rн.
Выключение тиристора - переход в закрытое состояние - может быть осуществлено уменьшением тока до значения меньше тока удержания, или изменением полярности основного напряжения Uак на обратную. Обратная ветвь характеристики, как было сказано выше, соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики диода (участок 1). При обратном напряжении, равном напряжению пробоя Uобрпроб происходит лавинный пробой тиристора.
Возможен другой подход к объяснению процессов в динисторе. Известно, что коэффициент передачи тока в транзисторе α увеличивается с увеличением протекающего через него тока. Учитывая, что через переход П2и эмиттеры протекает один и тот же ток Iа, можно записать:

Iа = α1Iэ + α2 Iэ + Iкобр,

откуда получим выражение для анодного тока тиристора:

Iа = Iкобр /(1 – (α1 +α2)) (2.1)

При малых значениях тока Ia α1 и α2 близки к нулю, поэтому очень малы составляющие тока Iэ, и ток через тиристор обусловлен только обратным током перехода П2. В этом случае тиристор остается закрытым, на прямой ветви вольтамперной характеристики тиристора это соответствует участку 2, аналогичному обратной ветви характеристики р-п перехода.
На этом участке с увеличением анодного напряжения Uак растет обратное напряжение на переходе П2 и немного возрастает ток Iкобр, а значит, и ток через тиристор Iа. Рост тока вызывает увеличение коэффициентов передачи тока α, что в свою очередь приводит к возрастанию составляющих тока α1Iэ1 и α2Iэ2 и более быстрому росту тока Iа.
При напряжении близком Uпрк процесс приобретает лавинный характер, т.к. знаменатель в соотношении 2.1 стремится к 0 и происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое.

Триодный тиристор

Триодный тиристор, или тринистор, помимо основной цепи между анодом и катодом имеет цепь управления. Для этой цепи нужен вывод управляющего электрода(УЭ). Назначение цепи управления состоит в управлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение переключения Uпрк. Если вывод управляющего электрода сделан от базового слоя р2, то источник управляющего тока Еу включается между УЭ и катодом. Такая схема управления по катоду приведена на рис.2.36, а. Возможна и другая схема, в которой вывод управляющего электрода сделан от базового слоя п2. В этом случае осуществляется управление по аноду. Условные графические обозначения тиристоров разного типа приведены на рис.2.36, б, в.

В обоих случаях источник Еу включается так, чтобы ток управления Iу протекал от него через один из эмиттерных переходов в прямом направлении. Семейство характеристик тринистора при различных токах управления показано на рис.2.37.

Рассмотрим влияние тока управления на работу тиристора при прямом напряжении между анодом и катодом в схеме рис.2.36, а. В основную цепь включены источник питания Еа и нагрузка Rн. В цепь управления включен источник управляющего сигнала Ey, дающий ток управления Iу. Полярность источника Еу совпадает по знакам с прямым напряжением на переходе П3. Напряжение между управляющим электродом и катодом называется напряжением управления Uy. При включении цепи управления ток Iу, проходя от управляющего электрода через переход П3 к катоду, добавляется к току эмиттера Iэ2 и вызывает увеличение коэффициента передачи тока α2. В результате этого возрастает ток коллекторного перехода П2, а значит, и ток в цепи тиристора, и переключение тиристора происходит при меньшем напряжении на нем. Все процессы, происходящие при переходе тиристора из закрытого состояния в открытое под действием тока управления, такие же, как под действием основного напряжения, достигающего напряжения переключения Unpк. при Iу = 0. Чем больше ток управления, тем меньше напряжение, при котором открывается тиристор. Это отражает семейство вольтамперных характеристик, снятых в прямом направлении при разных значениях тока управления. Ток управления на рабочий участок характеристики в открытом состоянии не оказывает влияния. После включения тиристора цепь управления может быть разомкнута, а тиристор будет продолжать работать в открытом состоянии. Благодаря этому свойству в практических схемах используют автоматическую подачу кратковременных импульсов тока управления для включения тиристора в нужный момент времени.

Симметричные тиристоры

Симметричным тиристором или симистором, называют тиристор, который переключается из закрытого состояния в открытое как в прямом, так и в обратном включении. Он имеет симметричную вольтамперную характеристику, т. е. одинаковые по виду прямую и обратную ветви. В связи с этим симисторы применяют как переключающие приборы в цепях переменного тока.
Симметричные тиристоры также разделяют на диодные и триодные. Диодный симметричный тиристор (диак) включается при достижении как в прямом, так и в обратном направлениях определенного значения напряжения между основными выводами, равного напряжению переключения. Триодный симметричный тиристор (триак) включается как в прямом, так и в обратном направлениях при подаче сигнала на его управляющий электрод.
Структура симистора имеет более четырех чередующихся областей р- и п- типа и, соответственно, имеет не три, а большее число переходов: для диака пять слоев и четыре перехода, для триака — шесть и более слоев, пять и более переходов.
Рассмотрим структуру и принцип действия симистора (рис.2.38).
Контактные металлизированные площадки электрически соединяют верхние поверхности правой части области p1, области п1 и п4 и имеют общий вывод А (анод). Металлизированная площадка в центре верхней поверхности области р1 соединена с выводом УЭ. Нижние поверхности областей p2 и п3 электрически соединены контактной площадкой со вторым основным выводом К (катод). В основную цепь включаются источник переменного напряжения и нагрузка, а в цепь управления - источник импульса тока управления.

Эту структуру можно рассматривать как два обычных тиристора, включенных встречно-параллельно. Первый из них включает часть структуры с правой стороны – р1 – п2 – р2 – п3 с переходами П2, П3 и П4 (рис.2.38,6). Для него прямым будет положительное напряжение на аноде относительно катода. В этом случае переходы П2 и П4 находятся под прямым напряжением, а П3 - под обратным. Как было рассмотрено выше для обычного тиристора, с увеличением тока в п2 -слое накапливаются электроны, а в р2-слое - дырки, что приводит к перемене полярности напряжения на переходе П3 с обратной на прямую, и тиристор переключается из закрытого состояния в открытое.
Если на электрод УЭ подавать импульс управляющего напряжения со знаком «плюс» относительно анода А, то на дополнительном переходе П5 создается прямое напряжение, электроны инжектируются из области п4 в область p1, диффундируют через нее к переходу П2 и перебрасываются полем его контактной разности потенциалов в п2-слой. Насыщение п2-слоя приводит в свою очередь к увеличению прямого напряжения на переходе П2, под действием которого усиливается инжекция дырок из p1-слоя в п2-слой; они диффундируют через п2-слой и перебрасываются под действием обратного напряжения на переходе П3 в р2-слой. Накопление дырок в р2-слое и электронов в п2-слое под действием импульсов управляющего сигнала происходит мгновенно, и тиристор переключается в открытое состояние при меньшем напряжении между основными электродами, чем напряжение переключения при отсутствии тока управления.
При перемене полярности напряжения в основной цепи - плюсом к катоду, минусом к аноду - прямое напряжение оказывается на левой части четырехслойной структуры, составляющей как бы второй обычный тиристор: снизу вверх р2 – п2 –р1-п1 с р-п -переходами П3, П2 и П1 (рис.2.38, а). На переходах П3 и П1 действует в этом случае прямое напряжение, а на переходе П2 - обратное. Процессы происходят так же, как в. обычном тиристоре. Импульс управляющего сигнала создает дополнительное прямое напряжение на переходе П1, и через него проходит ток управления Iу, вызывая переключение симистора из закрытого состояния в открытое. Условные графические обозначения диака и триака приведены на рис.2.38, в.
Рассмотренные процессы отражены на семействе вольтамперных характеристик симистора (рис.2.39). В прямом направлении они такие же, как для обычного тиристора, а в обратном - аналогичны им, но располагаются симметрично в третьем квадранте системы координат.

Параметры и типы тиристоров

Наиболее важными параметрами тиристоров по основной цепи являются:
Uпрк и Iпрк -ток и напряжение переключения;
Iос,Uос – ток и напряжение открытом состоянии тиристора;
Iуд - ток удержания;
Iобр - обратный ток;
Iосмакс, Росмакс - максимально допустимые значения тока и мощности в открытом состоянии;
Uобрмакс – максимальное обратное напряжение.
К параметрам, характеризующим цепь управления, относятся отпирающий постоянный (или импульсный) ток управления Iуотп и соответствующее ему отпирающее постоянное (или импульсное) напряжение управления Uуотп. Отпирающим током управления называют наименьший ток управления, необходимый для включения тиристора в заданном режиме.
Динамический режим работы тиристора характеризуется динамическим сопротивлением в открытом состоянии rдин, временем включения tвкл и временем выключения тиристора tвыкл.
Динамическое сопротивление тиристора определяется по наклону прямой ветви вольтамперной характеристики на участке, соответствующем открытому состоянию, оно равно отношению приращения напряжения к соответствующему ему приращению тока:

rдин = ΔUос / ΔIос.

Время включения тиристора tвкл - это интервал времени, в течение которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое. Время включения тиристора составляет 5…30 мкс.
Время выключения тиристора tвыкл - это наименьший интервал времени, в течение которого восстанавливаются запирающие свойства, т. е. рассасываются накопленные в базах носители заряда после перемены полярности напряжения в основной цепи и рекомбинации оставшихся носителей. Это время составляет от 5…10 до 200…250 мкс. По прошествии этого времени на тиристор может быть снова подано прямое напряжение. Он останется закрытым до следующего отпирающего импульса.
Время включения и время выключения тиристора характеризуют его частотные свойства.
По мощности тиристоры, как и диоды, подразделяют на тиристоры малой мощности (на токи до 0,3 А), средней мощности(от 0,3 до 10 А) и большой мощности - силовые.
Динисторы, тринисторы и симисторы малой мощности используют в качестве переключающих элементов в устройствах автоматики, в электронно-вычислительных машинах, в преобразователях сигналов, в осветительных системах. Тринисторы средней и большой мощности применяют в качестве управляемых вентилей для выпрямления переменного тока. В этом случае импульсы тока управления отпирают тиристор в определенный момент положительного полпериода напряжения; этим определяется длительность пропускания тока, т. е. часть полпериода, когда тиристор открыт. Таким образом, можно управлять величиной выпрямленного тока и напряжения. Тринисторы используют также в стабилизаторах выпрямленного напряжения, в устройствах для регулирования числа оборотов приводов, в генераторах большой мощности, в генераторах высокой частоты.
Симметричные тиристоры средней и большой мощности нашли применение в стабилизаторах напряжения с регулированием на переменном токе (со стороны сети), а также в регуляторах света ламп накаливания, в качестве ключей в сильноточных цепях переменного тока, для коммутации силовых цепей электроприводов и в других устройствах.
Буквенно-цифровая система обозначения тиристоров такая же, как для диодов. Только второй элемент - буква Н для динисторов (неуправляемый), У - для тринисторов и симисторов (управляемый).
Примеры обозначения: КН102Б - кремниевый динистор малой мощности, номер разработки 02, группа Б по параметрам (по справочнику для групп от А до И напряжение переключения от 20 до 150 В); КУ201И - кремниевый тиристор средней мощности, номер разработки 01, группа И; КУ608Г - кремниевый симистор средней мощности, номер разработки 08, группа Г.
Тиристоры большой мощности, используемые в силовых цепях, имеют другую систему обозначений: первый элемент - буква Т – тиристор; второй - одна или две буквы, указывающие на конструктивные особенности или систему охлаждения, Л - с лавинной характеристикой, В - с водяным охлаждением, С - симистор, ЛВ - с лавинной характеристикой и водяным охлаждением; если этих особенностей нет, то второй элемент отсутствует; третий элемент - число, указывающее максимально допустимый ток в амперах в открытом состоянии тиристора. Например, Т - 150, ТВ – 1000. После числа, указывающего величину тока, может стоять еще число, обозначающее класс по допустимому напряжению В этом числе единица соответствует напряжению 100 В, например, класс 4 - на напряжение 400 В, класс 10 - на 1000 В. Число, стоящее после класса, определяет параметры частотных свойств, указываемые в справочниках. Например: Т-160-4-142.
Силовые тиристоры, выпускавшиеся промышленностью до введения этой системы обозначений, имеют старый шифр; например, ВКДУ-25 — вентиль кремниевый управляемый, на ток 25 А.
С 1980г. введена новая система обозначений, состоящая из девяти элементов.
Внешний вид тиристоров малой, средней и большой, мощности показан на рис.2.40.