Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Уменьшение напряжения включения при этом зависит от амплитуды импульса анодного напряжения и скорости его нарастания. Это явление называется эффектом дР/с(1. Его можно использовать для включения тиристора (Л'/Ж-переключение). Эффект с1ИИ обусловлен тем, что быстро изменяющееся анодное напряжение приводит к увеличению тока смещения й (С$')/И, где С вЂ” емкость перехода /2. Емкостный ток в свою очередь может вызвать возрастание суммарного коэффициента усиления (а1 + ао) до единицы, и в результате произойдет включение ти-. ристора.
В мощных тиристорах, которые должны обладать высокими значениями $'„~, необходимо ослабить влияние эффекта с(1//Ж. С этой целью можно сместить цепь управляющий электрод— катод в обратном направлении, чтобы ток смещения протекал через управляющий вывод и не вызывал увеличения коэффициента усиления. Можно также снизить время жизни неосновных носителей в областях п1 и р2, что приведет к уменьшению коэффициентов усиления, но в режиме прямой проводимости а остается высоким. Эффективным способом ослабления эффекта сИ/Я1 является использование закороченного катода 1301. Как показано на рис. 20, а, ток смещения протекает через шунт и не влияет на коэффициент усиления сс, и — р — п-транзистора. Закороченный катод может обеспечить существенно большую устойчивость к эффекту д$ЧЮ. Обычно тиристоры с незакороченным катодом допускают нарастание анодного напряжения 20 В/мкс.
В приборах с закороченным катодом устойчивость к эффекту с11~Ю может увеличиваться в 10 — 100 раз и более. — азлк = 11АК~1 — —, ), (52), (53) «=го+и, 1, (54) где 1«лк — стационарное напряжение между анодом и катодом, ~„— время включения, 1„, оАк, « — изменяющиеся во времени ток, напряжение и радиус проводящей области соответственно. Мгновенная рассеиваемая мощность и проводящая площадь составля ют ~~А ~Азлк 1Ак 11 /~р «о (55) Площадь = л ((«, + о„,1)' — «о1. Отсюда находим плотность рассеиваемой мощности р ~АаАк Илк И~А1«П) 1« ~/~о) ~ Г1лошаль л 1(«о + а,~,0о — «Я (56) (57) и повышение температуры в наиболее горячей точке ЛТ= — ~ РЖ вЂ” (Л„/Ж), о где р и С вЂ” плотность и удельная теплоемкость кремния соответственно.
Из формулы (58) следует, что при постоянной величине 1«„к повышение температуры пропорционально НА~61. Для предотвращения перегрева и постепенного разрушения прибора важное значение приобретает такой параметр, как допустимая скорость нарастания тока. Для ее увеличения можно расширить площадь области начальной проводимости или уменьшить отношение ВЛ. в области п1, повышая скорость распространения области проводящего состояния. Предложено несколько гребенчатых конструкций, в которых расстояние от любой части катода до управляющего электрода не превышает максимально допустимой величины.
Изящный пример использования с этой целью эвольвенты показан на рис. 21. Уравнение эвольвенты АВС в полярных координатах имеет вид г = го (1 + О')н~ (59) необходимый для включения других близко расположенных областей, пока процесс не распространится на всю площадь катода. Этот процесс характеризуется скоростью распространения о„,. Рассмотрим концентрическую структуру (рис.
20, а) с управляющим электродом радиусом г„расположенным в центре, н нредположим, что вводный ток и напряжение между анодом и катодом линейно изменяются со временем. Таким образом, на этапе вклю.чения Рис. 21. Структура с электродами в форме эвольвенты 1311. а эвольвенты РЕГ г = г,11+ (т1 — 6)'1'~е. Эти две эвольвенты везде эквидистаитны и отстоят друг от друга на расстоянии г,б. На рис, 21, б показана геометрия катодов и управляющих электродов прибора.
Катодные контакты, обозначенные цифрой 1, имеют мезоструктуру. Металлический слой на управляющих электродах (цифра 2) присоединен к управляющему контакту 3. Другой способ расширения области начального включения состоит в использовании дополнительного усилительного управляющего электрода 1321 (рис. 22, а). Эквивалентная схема тиристора с таким усилительным электродом приведена на рис.
22, б. Когда на центральный управляющий электрод подан небольшой запускающий ток, структура с усилительным электродом,, играющая роль запускающего прибора, включается гораздо быстрее, так как ее продольные размеры невелики. Запускающий ток намного больше исходного переключающего тока и обеспечивает 2Зг Глава 4 Чпра$лякций Чсипитвт ьныи" амитрод улра5лти4ий глвлтааб УтааФ тя~ети4ий Ь7А~ /?7Юст йсье76той юриаср ,Уа тус т~и~Ж поищу Рис. 22.
Тиристор с усилительным управлявшим электродом ~32). а — конструкция; б аквивалентная схема. основному прибору более сильный возбуждающий ток. Увеличен- ный возбуждающий ток расширяет область начального включения основного тиристора. 4.3.5. Максимальная рабочая частота При низких скоростях переключения тиристор в общем случае является более эффективным ключом, чем биполярный транзистор. Поэтому тиристоры получили широкое применение в области промышленного регулирования мощности, где рабочие частоты обычно составляют 50 — 60 Гц. В последнее время расширяется их применение в схемах с более высокими скоростями переключения.
Рассмотрим теперь максимально достижимые рабочие настоты тиристоров. Напряжение на выводах тиристора и протекающий через него во время переключения ток приведены на рис. 23 133). Основным фактором, влияющим на время включения и выключения тири- Таристоры Рис. 23. Изменение токов и напряжений на выводах тиристора во время переключения 1331. стора, является скорость изменения тока Ы/й и процессе включения и выключения. В закрытом состоянии Н/Ж определяется главным образом внешней цепью.
Оптимизируя параметры этой цепи, необходимо ограничить И/Ж при включении (разд. 4.3.4). Время выключения рассмотрено в разд. 4.3.2. Скорость нарастания прямого падения напряжения на тиристоре ЙИИ после периода восстановления высокой проводимости ограничивается емкостным током смещения. Последний может вызвать увеличение коэффициента усиления и — р — п-транзистора, достаточное для включения тиристора, раньше, чем к тиристору будет приложено полное прямое напряжение, или раньше, чем поступит запускающий сигнал на управляющий электрод.
Такой эффект существенно ослабляется при закороченном катоде. Время прямого восстановления равно сумме трех указанных выше составляющих: 1т, = /~/(г1//г//) + / и + У~р/(Ю/Я. (61) где /н — максимальный прямой ток, 1/вр — напряжение включения. Максимальная рабочая частота определяется выражением (62) На рис. 24 приведено соотношение между временем выключекния 1,м, диффузионной длиной А и шириной Я7 базы а1 в зависимости от времени жизни неосновных носителей в области п1 для тиристоров с рабочими напряжениями 800 и 1100 В. Из рисунка видно, что в соответствии с выражением (48) время 1ом прямо пропорционально тр.
Напряжение включения обратно пропорцио- Глава 4 ~ф /, леон Рис, 24. Соотношение между временем выключения т„п, диффузионной длиной Е и шириной Му базы п1 в зависимости от времени жизни неосновных носителей в базе 1331, Ю ~, мкс нально частоте для любого отношения К//.. При заданном напряжении включения ширина Ю' обычно фиксирована и отношение К/~ изменяется обратно пропорционально р'т„. Ы $0.
Рис, 25. Максимальные рабочие частоты тирнсторов 1331. Тиристорм Максимальная рабочая частота тиристоров, изготовленных обычным образом, с рабочими напряжениями 800 и 1!00 В приведена на рис. 25 для двух значений каждого из параметров: рабочих токов Н/Ж и дИЖ. Например, тиристор с рабочим напряжением 800 В и током 100 А при К/Е = 0,75 (1,д~ = — 18 мкс из рис. 24) и при ~Л1/Ж = 100 В/мкс и И/Ж = 100 А/мкс имеет ~„= 20 кГц.
Для повышения / необходимо увеличивать дерпт или г(1/Й, или усложнять структуру прибора, или делать и то и другое. Таким образом, сохраняя рабочее напряжение и величину прямого тока, можно за счет снижения времени жизни уменьшить время выключения тиристора. 4.4. мощные тигиСтогы 4,4.1. Тиристоры с обратной проводимостью Тиристор с обратной проводимостью (ге~егзе сопйцс11пд 1ЬугЬ1ог) представляет собой многослойный тиристор с тремя выводами, характеристики которого аналогичны характеристикам обычного тиристора в режиме прямой проводимости, но который проводит большой ток в обратном направлении.
Он используется в качестве схемы возбуждения электролюминесцентных ламп и двунаправленной схемы переключателя переменного тока. Особенность этого тиристора состоит в том, что он имеет закороченные катод и анод. Поперечный разрез тиристора с обратной проводимостью приведен на рис. 26, а ~341. Отметим, что для перехода /2 пригодна только положительная фаска.
Между р- и и-областями вблизи анодного контакта введены и'-области. В результате при работе в обратном направлении, когда анод отрицательно смещен по отношению к катоду, переход /1, обычно находящийся под обратным смещением, теперь оказывается закороченным на анод. Следовательно, в обратном направлении протекают большие токи. Прямая вольт-амперная характеристика (рис.26,б) такая же, как для обычного тиристора.
Мощные тиристоры с обратной проводимостью могут работать при температурах переходов, превышающих 150'С, в то время как обычные тиристоры сохраняют работоспособность лишь до 125 'С. Поэтому первые способны пропускать большие токи в открытом состоянии. На рис. 27 приведены зависимости напряжения включения от температуры тиристора с обратной проводимостью и тиристора с закороченным катодом. Как уже говорилось выше, Уа для тиристора с закороченным катодом равно напряжению обратного запирания, которое выше, чем для тиристора с незакороченным катодом. В закрытом состоянии работа тиристора с обратной проводимостью не зависит от коэффициентов усиления составляющих Глава 4 236 тГстлк~е Рай юла,ю~аад Х б Рнс.
26. Высоковольтный высокотемпературный тиристор о обратной проводимостью 1341. о — конструкция; б — вольт-амперная характеристика и условное обозначение ти ристора. транзисторов и $'в равно напряжению лавинного пробоя перехода 12. Поскольку лавинный пробой имеет положительный температурный коэффициент, $'„,, для тиристора с обратной проводимостью увеличивается с температурой (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
