Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 35
Текст из файла (страница 35)
15, в (точка 3), Выполним последнюю горизонтальную проекцию точки 3 до пересечения с первой вертикальной проекцией в точке 4. Эта точка дает величину нормализованного падения напряжения на приборе, необходимого для поддержания заданного тока 7. Полная вольт-амперная характеристика прибора (рис. 15, г) получается повторением этого геометрического построения для разных значений тока. Тириспторы 223 Отметим, что точка переключения (1„1/и, ) расположена в диапазоне токов, где функция ~ (7) достигает минимума. Точка удержания определяется как точка с низким напряжением и большим током, в которой дИИ = О.
Приведенный анализ не позволяет ее найти. Однако в первом приближении ее координатами можно считать (У,, 0), где Т" (1,) = 1. При Т (1,) = 1 М (Ъ',) ° = 1, а это означает, что Р, = О. Если напряжение $', = О, то ток насыщения центрального перехода также стремится к О. Тогда из уравнения (43) следует а, (/) + а, Я = 1. Отсюда при известных а, и а, можно найти ток, при котором смещение на центральном переходе становится нулевым. В результате полное падение напряжения на приборе равно просто сумме падений на- «'«««". 1д/ -О ~г/Ъ «« Х «« Рис, 16.
Графическое построение вольт-амперной характеристики триодного тиристора 1201. авива 4 б Рис, 17. Вольт-амперная характеристика тиристора ири различных управляющих токах [51. пряжений на двух прямосмещенных внешних переходах ( 1,2— 1,4 В для кремниевых приборов). При токе, превышающем 1„все переходы смещены в прямом направлении, (Проведенный выше анализ неприменим, так как верен в предположении, что переход 12 остается смещенным в обратном направлении,) Если продолжать увеличивать ток, полное падение напряжения еще более уменьшается и прибор остается на участке с дифференциальным отрицательным сопротивлением, пока общий ток не превысит ток удержания 1а.'При больших токах падение напряжения на центральном переходе становится сравнимым с напряжением на эмиттерном переходе и динамическое сопротивление прибора снова оказывается положительным (21).
После прохождения точки (1а, $'а) на характеристике прибор находится в области прямой проводимости (разд. 4.2.3). Для тиристора с одним управляющим электродом уравнение (30) можно преобразовать к виду М(~ ) = с~т(утехе(т+ ~а)+ 1 ~а+ (44) В этом УРавнении ток Ук заменен на У + та и Ух„= О. УРавнение (44) равносильно уравнению (43), если Ув = О. На рис. 16 приве- Тирисптры деиы функция /(1, 1) и вольт-амперная характеристика тиристора при У~ = О.
Семейство вольт-амперных характеристик для .различных значений 1~ получается путем построения а, (1+ Уц) для каждого значения У и включения в функцию / (1, У ) члена а, (1 + 1,)!/1. Таким образом строят семейство кривых 1(1, 1 ). Необходимо отметить, что с увеличением 1~ напряжение включения падает. Это позволяет управлять включением структуры. Полное семейство вольт-амперных характеристик триодного тиристора при различных управляющих токах приведено на рис. 17. В режиме прямого запирания характеристики аналогичны кривым, приведенным на рис. 16, б, с учетом расположения координатных осей, 4.3.2. Время включения и выключения В процессе переключения тиристора из закрытого состояния в открытое ток через него должен вырасти до достаточно высокого уровня, чтобы удовлетворялось условие а, + а, = 1.
Существует несколько способов переключения тиристоров. Единственным способом включения диодного тиристора является переключение анодным напряжением. Переключение напряжением можно осуществить двумя путями: медленным повышением анодного напряжения вплоть до напряжения включения и импульсом анод- ного напряжения. Последний вариант, называемый ЛИЛ-переключение, рассмотрен в разд. 4.3.3. Наиболее важным способом включения триодного тиристора является запуск управляющим током.
При подаче запускающего тока (управляющего тока в базу) анодный ток тиристора реагирует на него с запаздыванием. Процесс изменения анодного тока можно характеризовать временем включения 1,„(рис. 18, а). Поскольку процесс переключения тиристора имеет регенеративную природу, время включения приближенно равно среднему геометрическому времени диффузии в и)- и р2-областях, или ~оп = у ~~1ь (45) где 1~ — — К~/2ВР, 1~ = Ю ~/2В„, Ж',~ и Ф'Р~ — толщины слоев 2 и1 и р2 соответственно, О„и ΄— коэффициенты диффузии элементов и дырок соответственно. Приведенный выше результат вытекает из рис. 9, если воспользоваться методом заряда. Положим, что в р — п — р- и п — р — птранзисторах накоплены заряды 9, и Я,.
Коллекторные токи транзисторов 1„= Я,/1, и 1„= Я,/1,. В идеальных условиях при ЩЯУ =- 1,, и Й~,ЙИ = 1 + 1„справедливо следующее уравнение: диац д~ у~ (46) й~ Рис. 18. Переходные пронесем в триоднога гиристоре (5!. а = включение при подаче аапускающего тока; б — выключение при быстрои наиенс.
нии полярности напри~кении. Его решением является функция ехр ( — И,„) с постоянной времени 1„„, определяемой формулой (45). Для уменьшения времени включения необходимо создавать приборы с узкими слоями п1 и р2. Однако такое требование противоречит условию высокого пробивного напряжения. Поэтому мощные высоковольтные тиристоры обладают большим временем включения.
Когда тиристор находится во включенном состоянии, все три его перехода смещены в прямом направлении. Следовательно, в приборе накапливаются избыточные неосновные и основные носители заряда, а их избыток и пропорционален прямому току. Для перевода прибора в закрытое состояние избыточные носители Рис. 19, Типичная взаимосвязь между я прямым падением напряжения и временем выключения мощного тиристора 1271. Р ~ Г .? ~ Г Фалряжжие, В либо должны быть удалены электрически полем, либо должны рекомбинировать 122, 231.
Типичная форма тока при выключении прибора показана на рис. 18, б. Основной вклад во время задержки дает время рекомбинации в слое п1. Поскольку дырочный ток через структуру пропорционален избыточному заряду в слое а1, то можно написать ?= ?~ехр ( — — ), (4?) 1„„= т,1п (48) Чтобы добиться малого времени выключения, необходимо снизить время жизни неосновных носителей в слое а1. Этого достигают введением центров рекомбинации во время диффузионного процесса (в кремнии такие центры дают золото и платина) или путем электронного и гамма-облучения [24 — 261. Золото образует в кремнии акцепторный уровень вблизи середины запрещенной зоны и служит эффективным генерационно-рекомбинационным центром.
Однакосповышением концентрации золота возрастают токи утечки. В результате при легировании золотом снижается напряжение включения. Легирование платиной или облучение электронами не вызывает снижения напряжения. Уменьшение времени жизни где ? = У в момент 1 = О, т„— время жизни неосновных носителей, Для перевода прибора в закрытое состояние ток через него должен быть меньше тока удержания [ь. Отсюда время выключения равно одновременно увеличивает прямое падение напряжения во включенном состоянии (выражение (42)). Типичная взаимосвязь прямого падения напряжения и времени выключения мощного тиристора приведена на рис.
19 [27). Приемлемое время выключения составляет 10 мкс, и прямое падение напряжения равно 2 В. Для сокращения времени выключения обычно во время фазы запирания подают обратное смещение между управляющим электродом и катодом, Такой способ называется управляемым выключением [28, 29). Улучшение запирания связано с тем, что обратносмещенный управляющий электрод поглощает ббльшую часть тока рассасывания, которая в противном случае протекала бы через катод, мешая восстановлению прямого напряжения на аноде. 4.3.3. Закороченный катод и эффект й~/й В современных диодных и триодных тиристорах для улучшения характеристик приборов используют закороченный катод [6, 7).
Упрощенная конструкция тиристора с закороченным катодом показана на рис. 20, а, Эквивалентная двухтранзисторная схема приведена на рис. 20, б, где полный ток катода, обозначенный через Ук, равен сумме тока 1к и шунтирующего тока 7 Если сопротивление Я „, настолько мало, что ббльшая часть анодного тока течет через закороченную часть катода, то 1'„(( 1„. Из уравнения (30) при 7д„= 0 и / = т„получим ~Фз тл— — Мест — Маз (!у<//А) (49) Латад '~ыУ раЮляюи~и ктаад Улра лли блески ада ый такт т .таг Юакарю'битый латад а Ю Рис. 20.
Тиристор с закороченным катодом. а — часть тока протекает через катодную закоротку; б — двухтранзнсторная модель тнрнстора с закороченным катодом. Тиристоры Если катод не закорочен, то /к= IА, поэтому /А М/о 1 — Ма1 — Мио ' (50) Из выражения (33) следует, что напряжение включения Ь'и~ определяется условием М = 1/(а, + а,). При закороченном катоде, когда 1к (( 1„, уравнение (49) принимает вид / М~о (51) 4.3.4. Ограничение И/й (7) В начале процесса включения тиристора начинает проводить только небольшая область катода вблизи управляющего контакта. Эта область высокой проводимости поставляет запускающий ток, В этих условиях напряжение включения становится равным напряжению обратного пробоя, . определяемому выражением (4). В динамическом режиме закрытый тиристор может быть включен при напряжениях, намного более низких, чем напряжение включения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
