Симисторы (симметричные тиристоры)

На базе четырех- и пятислойной структуры созданы различные полу­проводниковые приборы, механизм проводимости которых сходен с тиристорным. Промышленностью выпускаются симметричные тиристоры ТС. Симметричный тиристор (симистор) отличается от обычного двусторонней проводимостью. При подаче импульса тока управления на управ­ляющий электрод симистора последний включается независимо от полярности анодного напряжения. Выключается симметричный тиристор так же, как и обычный. В зависимости от устройства управляющего электрода симметричные тиристоры могут управляться импульсами тока одной полярности независимо от полярности напряжения на основных выводах.

Выпрямительный элемент симметричного тиристора имеет пятислойную структуру типа п-р-п-р-п, состоящую из четырех р - n -переходов П1, П2, ПЗ и П4 (рис. 55, а). Крайние переходы зашунтированы металличес­кими контактами - шунтами Ш1 и Ш2 (рис. 55, б) электродов А и В; к области р ₂ (см. рис. 55, а) подключен управляющий электрод У. Такая структура симметрична относительно обоих направлений тока I (см. сплошную и штриховую стрелки), при этом для каждого направления она состоит из четырех слоев с тремя р - n -переходами, как и у обычного тиристора.

Когда на электрод А подан отрицательный потенциал, а на элект­род В положительный, переход П4 будет закрыт, и при подаче положите­льного импульса на управляющий электрод У ток проходит через слои п₁-р₂-n₃-р₄, как в обычном тиристоре. Когда на электрод A подан положительный потенциал, а на электрод В отрицательный, напряжение оказывается приложенным к слоям p₂-n₃-p₄-n₅. При подаче положите­льного импульса на управляющий электрод У электроны из цепи управ­ляющего электрода поступают в слой р₂ и перебрасываются полем пере­хода П2 в слой n₃, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию ды­рок из слоя р₂ в слой n₃. Далее дырки проходят через закрытый пере­ход П3, увеличивая проходящий через него ток. В результате этого воз­никает лавинный процесс нарастания тока через слои p₂-n₃-p₄-n₅ и вентиль переводится в открытое состояние.

Структура симистора (см. рис. 55, б) симметрична относительно вертикальной оси О—О исостоит из двух одинаковых половин. Левая по­ловина выпрямительного элемента (переходы П1, П2, ПЗ) ориентиро­вана для прохождения тока от электрода В к электроду А, а правая половина (переходы П2, ПЗ, П4) - для прохождения тока от электро­да А к электроду В.

Если на электрод В подан положительный потенциал относительно электрода А, то включается левая половина выпрямительного элемента и ток идет через него от электрода В к электроду А. Момент включения, так же как и у обычного тиристора, определяется подачей импульса тока на управляющий электрод. Если же подать на управляющий электрод импульс тока при положительном потенциале на электроде А, то вклю­чается правая половина выпрямительного элемента и ток будет идти через него от электрода А к электроду В.

Структура симметричного тиристора с двуполярным управлением имеет некоторые особенности. Управляющий электрод У (рис. 55, в) рас­положен в центре, а верхние металлические контакты левой и правой по­ловин структуры электрически связаны между собой. При отсутствии управляющего сигнала тиристор заперт. Если на управляющий электрод подать потенциал, положительный относительно потенциала электрода А, то возникает ток дырочной проводимости, который будет способство­вать прохождению тока через переход П1 в прямом направлении. При этом будет проводить ток левая часть выпрямительного элемента, так же как и у обычного тиристора (ток проходит через переходы П1, П2 и ПЗ). При изменении полярности на силовых электродах (А - катод, В - анод) и подаче на управляющий электрод отрицательного потенциа­ла происходит инжекция электронов через переход П5, которые далее перемещаются к переходу П2. В результате возникает поток дырок через переход П2 в зону проводимости типа п.

Выпрямительный элемент работает в этом случае как обращенный тиристор, у которого слой электронной проводимости расположен под управляющим электродом. Ток проходит через его правую часть - пере­ходы П4, П3 и П2. Прибор, имеющий рассмотренную структуру, перек­лючается током управления положительной полярности в одном направ­лении и отрицательной полярности в противоположном направлении.

Симметричный тиристор можно представить в виде двух тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 56, а). Как прямая, так и обрат­ная ветви вольт-амперной характеристики симметричного тиристора (рис. 56, б) ввиду рассмотренных особенностей его работы имеют одина­ковый характер и определяются теми же параметрами, что и прямая ветвь обычного тиристора. Напряжения включения U_{вкл пр}, U_{вкл обр} токи включения I_{вкл пр}, I_{вкл обр}, токи удержания имеют одинаковые значения для прямого и обратного включений вентиля. За номинальное рабочее напряжение в обоих направлениях принимают напряжение, рав­ное 70 % напряжения включения.

Симметричные тиристоры, так же как и обычные, разбивают на клас­сы по номинальному рабочему напряжению и на группы по среднему падению напряжения в вентиле.

Конструктивно выпрямительный элемент симметричного тиристо­ра представляет собой круглый диск толщиной 0,35 мм; его изготовля­ют методом последовательной диффузии в кремний трехвалентных ато­мов алюминия и бора (акцепторная примесь) и пятивалентных атомов фосфора (донорская примесь).

Токоотводящие контакты образуются путем электрохимического покрытия пластинки из полупроводника никелем.

Для обеспечения термокомпенсации при нагреве к выпрямительно­му элементу с обеих сторон припаивают вольфрамовые пластины. Такая пластина также припаивается к верхней области типа р и образует уп­равляющий электрод.

Симметричные тиристоры могут применяться в качестве бесконтакт­ных переключателей и управляемых вентилей для преобразования электрического тока.