Тиристор (от греч. thýra — дверь, вход и англ. resistor — резистор), полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р—n—p—n-типа, обладающий свойствами вентиля электрического и имеющий нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ). С крайними слоями (областями) монокристалла контактируют силовые электроды (СЭ) — анод и катод, от одного из промежуточных слоев делают вывод электрода управления (УЭ).

Рис. 5 (в, г). Общий вид тиристоров: в — прижимного в металлокерамическом корпусе; г — штыревого в металлокерамическом корпусе в сборе с охладителем.

  К СЭ подсоединяют токоподводы силовой цепи и устройства теплоотвода. В случае, когда к СЭ прикладывается напряжение прямой полярности U_np (как указано на рис. 1), первый (П₁) и третий (П₃) электронно-дырочные переходы смещаются в прямом направлении, а второй (П₂) — в обратном. Через переходы П₁ и П₃ в области, примыкающие к переходу П₂, инжектируются неосновные носители, которые уменьшают сопротивление перехода П₂, увеличивают ток через него и уменьшают падение напряжения на нём. При повышении прямого напряжения ток через Тиристор сначала растет медленно, что соответствует участку ОА на ВАХ (рис. 2). В этом режиме Тиристор можно считать запертым, так как сопротивление перехода П₂ всё ещё очень велико (при этом напряжения на переходах П₁ и П₃ малы, и почти всё приложенное напряжение падает на переходе П₂). По мере увеличения напряжения на Тиристор снижается доля напряжения, падающего на П₂, и быстрее возрастают напряжения на П₁ и П₂, что вызывает дальнейшее увеличение тока через Тиристор и усиление инжекции неосновных носителей в область П₃. При некотором значении напряжения (порядка десятков или сотен в), называется напряжением переключения U_пер (точка А на ВАХ), процесс приобретает лавинообразный характер, Тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью (включается), и в нём устанавливается ток, определяемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи (точка В на ВАХ).

Рис. 1. Схематическое изображение тиристора: А — анод; К — катод; УЭ — управляющий электрод; П — электронно-дырочный переход; R_н — сопротивление внешней цепи; U_пp — прямое напряжение на тиристоре.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора (вентиля-переключателя): участок ОА соответствует состоянию тиристора с низкой проводимостью, участок БГ — с высокой проводимостью.

  Процесс скачкообразного переключения Тиристор из состояния с низкой проводимостью в состояние с высокой проводимостью можно объяснить, рассматривая Тиристор как комбинацию двух транзисторов (T₁ и Т₂), включенных навстречу друг другу (рис. 3). Крайние области монокристалла являются эмиттерами (р-слой называется анодным эмиттером, n-слой — катодным), а средние — коллектором одного и одновременно базой др. транзистора. Ток i, протекающий во внешней цепи Тиристор, является током первого эмиттера i_э1 и током второго эмиттера i_э2. Вместе с тем этот ток складывается из двух коллекторных токов i_к1 и i_к2, равных соответственно a₁i_э1 и a₂i_э2, где «a₁ и a₂ — коэффициенты передачи эмиттерного тока транзисторов T₁ и Т₂; кроме того, в его состав входит ток коллекторного перехода i_кo (так называемый обратный ток). Таким образом i = a₁i_э1 + a₂i_э2 + i_кo. С учётом i_э1 = i_э2 = i имеем  . При малых токах a₁ и a₂ значительно меньше 1 (и их сумма также меньше 1). С увеличением тока a₁ и a₂ растут, что ведёт к возрастанию i. Когда он достигает значения, называется током включения I_вк, сумма a₁+a₂ становится приблизительно равной 1, и ток скачком возрастает до величины, ограничиваемой сопротивлением нагрузки (точка В на рис. 2). Всякий Тиристор характеризуется предельно допустимым значением прямого тока I_пред (точка Г на рис. 2), при котором на приборе будет небольшое остаточное напряжение U_ocт. Если же уменьшать ток через Тиристор, то при некотором его значении, называется удерживающим током I_yд (точка Б на рис. 2), Тиристор запирается — переходит в состояние с низкой проводимостью, соответствующее участку ОА на ВАХ. При напряжении обратной полярности кривая зависимости тока от напряжения выглядит так же, как соответствующая часть ВАХ полупроводникового диода.

Рис. 3. Схематическое изображение тиристора в виде двух включенных навстречу друг другу транзисторов: Т — транзистор; Э — эмиттер; Б — база; К — коллектор; i_э — эмиттерный ток; i_к — коллекторный ток; i_кo — ток коллекторного перехода; R_н — сопротивление внешней цепи; U_пp — прямое напряжение на тиристоре.

  Описанный способ включения Тиристор (повышением напряжения между его СЭ) применяют в Тиристор, называется вентилями-переключателями (реже неуправляемыми Тиристор, или динисторами). Однако преимущественное распространение получили Тиристор, включаемые подачей в цепь УЭ импульса тока определённой величины и длительности при положительной разности потенциалов между анодом и катодом (обычно их называют управляемыми вентилями или Тиристор). Особую группу составляют фототиристоры, перевод которых в состояние с высокой проводимостью осуществляется световым воздействием. Выключение Тиристор производят либо снижением тока через Тиристор до значения I_yд, либо изменением полярности напряжения на его СЭ.

Рис. 5 (а, б). Общий вид тиристоров: а — штыревого в металлическом корпусе; б — таблеточного в керамическом корпусе.

  В соответствии с назначением различают Тиристор с односторонней проводимостью, с двухсторонней проводимостью (симметричные), быстродействующие, высокочастотные, импульсные, двухоперационные и специальные.

  Полупроводниковый элемент Тиристор изготовляют из кремниевых монокристаллических дисков (пластин), вводя в Si добавки В, Al и Р. При этом в основном используют диффузионную и сплавную технологию. Конструктивно Тиристор выполняют (рис. 4) в герметичном корпусе; для обеспечения механической прочности и устранения тепловых напряжений, возникающих из-за различия коэффициентов расширения Si и Cu (материал электродов), между кристаллом и электродами устанавливают термокомпенсирующие вольфрамовые или молибденовые диски. Различают Тиристор штыревой конструкции — в металлических и металлокерамических корпусах, прижимные (с отводом тепла с одной стороны Тиристор) и таблеточные (с двухсторонним отводом тепла). Основные конструкции Тиристор — таблеточная и штыревая. Тиристор на токи до 500 а изготовляют с воздушным охлаждением, на токи свыше 500 а — обычно с водяным.

Рис. 4. Управляемый тиристор (в разрезе): 1 — основание (силовой электрод); 2 — полупроводниковый кристалл; 3 — фторопластовое кольцо; 4 — гибкий внутренний провод; 5 — крышка; 6 — изолятор крышки; 7 — стержень крышки; 8 — гибкий наружный вывод (силовой электрод); 9 — управляющий электрод; 10 — наконечник наружного вывода.

  Современные Тиристор изготовляют на токи от 1 ма до 10 ка напряжения от нескольких в до нескольких кв; скорость нарастания в них прямого тока достигает 10⁹ а/сек, напряжения — 10⁹в/сек, время включения составляет величины от нескольких десятых долей до нескольких десятков мксек, время выключения — от нескольких единиц до нескольких сотен мксек; кпд достигает 99%.

  Тиристор нашли применение в качестве вентилей в преобразователях электрической энергии (см. Преобразовательная техника, Тиристорный электропривод), исполнительных и усилительных элементов в системах автоматического управления, ключей и элементов памяти в различных электронных устройствах и т. п., где они совместно с др. полупроводниковыми приборами к середине 70-х гг. 20 в. в основном вытеснили электронные (электровакуумные) и ионные (газоразрядные и ртутные) вентили.

 

  Лит.: Тиристоры. (Технический справочник), пер. с англ., 2 изд., М., 1971; Кузьмин В, А., Тиристоры малой и средней мощности, М., 1971.

  Ю. М. Иньков, А. А. Сакович.