Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 58
Текст из файла (страница 58)
б.!. Структура, ВАХ и энергетические диаграммы дяодного тпристора тронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода (рис. 5.1). Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме п-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в и-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в р-базу. Дальнейшему нх продвижению по структуре тнристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из и-эмиттера.
Таким образом, в структуре тирнстора существует положительная обратная связь по току — увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход. Накопление неравновесных носителей в базовых областях равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекториом переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекториый переход в прямом направлении. Поэтому с увеличением тока через тнристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться.
Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекториого перехода уменьшается да значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояиих: закрытом и открытом.
Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения. Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тнристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии (участок ) ВАХ на рис. 5.1) к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал. Открытое состояние тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви ВАХ. На рис.
5.! открытому состоянию тиристора соответствует участок 2 ВАХ. Между первым и вторым участками ВАХ находится переходный участок, соответствующий неустойчивому состоянию тиристора. Особенно проявляется неустойчивость при относительно малом сопротивлении во внешней цепи тиристора. Тогда переключение тиристора из закрытого состояния в открытое и обратно происходит по штриховым линиям (рис.
5.!), наклон которых определяется обычно относительно малым сопротивлением нагрузки. В открытом состоянии тирнстор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторного перехода в прямом направлении. Если же ток через тнристор уменьшить до некоторого значения, меньшего удерживающего тока )„„то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на вынрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние (см.
рис. 5.1) . Таким образом, удерживающий гок тнристора — это минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии. гвг Закрытое состояние Структуру тнристора можно представить в виде двух транзисторов, соединенных между собой, как показано на рис. 5.1. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи по аналогии с (4.47), пользуясь параметрами одномерной теоретической модели транзистора; )из=а~)и~+ аз)из+)кио, где!и, ).з и!.з — токи через первый, второй и третий р-л-переходы; а~ и оз — статические коэффициенты передачи токов эмиттера одномерных теоретических моделей первого и второго + — + — + транзисторов; )кво — обратный ток коллектора, который является общим для обоих транзисторов, составляющих структуру тиристора.
Распределение потоков электронов и дырок в тиристориой структуре, находящейся в закрытом со- Рис. 5.2. Схематическое изобрагиенне истоков носителей заряда через структуру двоякого тнрнстора в закрытом (а) и открытом (б) состояниях гвз стоянии, схематично показано на рис. 5.2, а. На этом рисунке кроме основных л р и р потоков носителей заряда из эмиттерных областей в прилегающие базовые области учтена иижекция носителей из базовых об- о + ластей в эмиттерные и ре- о о о о комбинация носителей в эмиттериых переходах. В закрытом состоянии тири- Ф) стора из всего потока инжектированных в каждую базу неосновных носителей заряда только меньшая часть доходит до коллекторнога перехода. Основной механизм образования обратного тока коллектора — генерация носителей заряда в коллекторном переходе. На рисунке показана полярность напряжений, падающих иа каждом из трех Р-л-переходов от внешнего источника питания.
Для двухэлектродной структуры днодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой: )Ы =)за=)иЗ=).. (5.2) Тогда анодный ток тиристора 1э=1кэо/(! — а), (5.3) где а=а~+аз — суммарный статический коэффициент передачи тока тиристорной структуры. Выражение (5.3) представляет собой уравнение ВАХ диодного тиристора в закрытом состоянии. Напомним, что статический коэффициент передачи тока эмиттера транзистора растет с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в эмиттерном переходе и появления электрического поля в базе из-за увеличения градиента концентрации носителей заряда. Коэффициент передачи тока эмиттера растет также с увеличением напряжения на коллекторном переходе в результате уменьшения толщины базы и увеличения коэффициента лавинного размножения в коллекторном перехоле.
Эти четыре физических фактора вызывают рост суммарного статического коэффициента передачи тока тиристорной структуры при увеличении напряжения и соответственно тока в закрытом состоянии тиристора. При достижении суммарным статическим коэффициентом передачи значения, равного единице, в соответствии с (5.3) анодный ток через тиристор устремляется в бесконечность, т. е. происходит переключение диодного тиристора из закрытого состояния в открытое.
Во время переключения ток через тиристор, конечно, должен быть ограничен сопротивлением нагрузки, иначе тиристор может выйти из строя. Условие переключения тирнстора В точке переключения тиристора дифференциальное сопротивление равно нулю. Выясним условие, при котором дифференциальное сопротивление тиристора может стать равным нулю. До переключения тиристора в открытое состояние практически все напряжение, приложенное к тиристору, палает на коллекторном переходе. Дифференцируя (5.1) по напряжению с учетом (5.2) и считая ац(л и) ап и ан аи аг аи+ аи получим -(.
+' — ")-(.-' *Ф) аг,м,~аа, ж в аи, +'"~аи. аи.) +5~ — + — ) В скобках числителя (5.4) стоят выражения для дифференциального коэффициента передачи тока эмиттера одномерных теоретических моделей транзисторов. Действительно, /к=а1э+ +1кво. Отсюда дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера олномерной теоретической модели транзистора а= гв~ =д1к/д1э=а+1э(да/д1э). Таким образом, из (5.4) следует, что переключение тиристора из закрытого состояния в открытое должно произойти при условии равенства единице суммарного дифференциального коэффициента передачи тока тиристорной структуры, т,е. а=а~+аз=1.
(5.5) Обычно это условие уловлетворяется раньше, чем условие равенства единице статических коэффициентов передачи тока первого и второго транзисторов, составляющих тиристорную структуру, так как дифференциальные коэффициенты передачи несколько больше статических. Ничтожное превышение дифференциального коэффициента передачи тока над единицей означает, что приращение тока коллектора больше, чем приращение тока эмиттера. Именно при таком условии р-база заряжается положительно, а а-база — отрицательно (об этом шла речь в начале этого параграфа).
Избыточные зарялы в базовых областях уменьшают напряжение на коллекторном переходе, а слеловательно, н на всей тиристорной структуре, что соответствуег переходному участку ВАХ тиристора — участку отрицательного дифференциального сопротивления. При переключении диодного тиристора из закрытого состояния в открытое из-за роста прохоляшего тока суммарный дифференциальный коэффициент передачи тока увеличивается. Одновременно уменьшение напряжения на коллекторном переходе вызывает уменьшение того же коэффициента. Поэтому соотношение (5.5) можно считать не только условием переключения тиристора из закрытого состояния в открытое, но и уравнением ВАХ на перехолном ее участке.
В действительности сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных структур, составляющих тнристорную структуру, во время переключения несколько превышает единицу. Открытое состояние В открытом состоянии значение суммарного коэффициента передачи тока тиристорной структуры превышает единицу, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
