широко используется для включения тиристоров, поэтому рассмотрим его в первую очередь.

Приложение управляющего сигнала к третьему выводу тиристора не вызывает нмедленного протекания тока через прибор, поскольку должно пройти определенное время (время включения) между приложением управляющего сигнала и наступлением полной проводимости тиристора.

Принято считать, что время включения состоит из трех следующих отдельных составляющих: во-первых, время задержки, проходящее между моментом приложения управляющего сигнала и моментом, когда появляется небольшой анодный ток, который можно измерить на электродах тиристора; во-вторых, время нарастания, в течение которого происходит нарастание анодного тока (более точно для тиристоров оно определяется как время, за которое напряжение упадет до 10% своего первоначального значения); в-третьих, время распространения, за которое анодное напряжение восстанавливается до своего стационарного значения и тиристор становится полностью проводящим.

Моделированием этапа Включения занимался целый ряд авторов. Однако точное воспроизведение процесса включения ограничивается неоднородностью и, по- существу, трехмерной природой этого процесса. Когда тиристор переключается в проводящее состояние, вначале включается только очень малая область эмиттера вблизи управляющего электрода. Затем эта первоначальная включенная область быстро распространяется по прибору до тех пор, пока весь эмиттер не становится проводящим. Очевидно, что если требуется проводить большой ток сразу после подачи управляющего сигнала, когда в первоначальной проводящей области протекает ток большой плотности, то произойдет сильный локальный разогрев, пока не будет иметь место быстрое распространение проводящей области.

Локализация процесса включения и сильное взаимодействие прибора и внешней цепи усложняют расчеты и позволяют производить анализ только приближенным методом. Несмотря на эти ограничения, существует несколько работ, в которых сделан анализ физических процессов при включении тиристора, позволяющий грамотно подходить к конструированию прибора с заданными параметрами, а также контролировать скорость и однородность его перехода из выключенного состояния во включенное.

2.3.1. Время задержки

В течение этапа задержки включения переход J3 смещается управляющим током приблизительно до напряжения от 0,5 до 0,6 В и инжектирует электроны, которые движутся от л-эмиттера к переходу J2. Когда первые электроны достигнут J2, их присут-

ствие в области объемного заряда на стороне р-базы вызывает сжатие перехода, в то время как электроны в области объемного заряда на стороне п-базы вызывают его расширение по направлению к переходу .

Если область объемного заряда достигает слоя , то в PINIP2 транзисторе будет происходить смыка ние, вызывая резкое увеличение тока до тех пор, пока сумма арпр + апрп не станет равна единице. Область пространственного заряда как бы сжимается в результате нарастания тока.

На практике сжатию слоя объемного заряда помогает дрейфовое поле, установившееся в базе N1, благодаря присутствию здесь электронов, перенесенных через переход J2, которые вызывают поток дырок от анодного эмиттера PL Сушествует ярко выраженная зависимость времени задержки от времени пролета н®сителей через базовые области.

Для высоковольтных тиристоров базовые области широкие и поэтому время задержки, как и следует ожидать, является достаточно большим, особенно в случае их применения в высоковольтных преобразователях, когда они включаются при низких напряжениях. Время задержки включения, наоборот, уменьшается, когда сключение осушествляется при высоком напряжении. Это происходит потому, что ширина области пространственного заряда увеличивается и уменьшается эффективная ширина базовой области, что приводит к уменьшению эффективного времени пролета базы.

Время задержки включения зависит также от прикладываемого управляющего тока. В [Bergman, 1965] описана простая одномерная модель для изучения влияния управляющего тока. Оказалось, что время задержки уменьшается при увеличении тока и за счет сокращения времени пролета базы составного транзистора N2P2NL

2.3.2. Этап нарастания тока

Этап нарастания тока может рассматриваться как период времени, в течение которого имеет место нарастание избыточной плотности носителей в тиристоре. Время нарастания определяется в результате аппроксимации времен пролета носителей через п- и р-базы. В [Sze, 1981] для анализа этого времени использовался зарядовый метод и не учитывалась рекомбинация носителей. Со ссылкой на двухмерную модель, показанную на рис. 2.5, предполагалось, что запасенные уровни заряда в р- -- п-р- и п-р - транзисторах равны Qi и Q2 соответственно. Поэтому для контролируемого заряда можно записать dQ\/dt = =1с2 и dQ2/dt = I(\.

Дальнейшее упрощение справедливо, если не учитывать рекомбинацию в базовых областях. В этом случае для коллек-

торного тока lc.i = Qiltn и lox=Q\lit\, где i = iyi/2Dp и tn = = Wp2/Dn - времена диффузии в слоях. УУ/ и Р2, ширина которых Wfiy и Wp2 соответственно; Dp и D - коэффициенты диффузии дырок и электронов. Поэтому, приравнивая вышеприведенные уравнения и исключая из них /1, 1с2 и Q2, получаем

Решение уравнения записьшается в виде ехр (- t/tr), где время нарастания tr = ti\ lt2- Выражение для времени нарастания, полученное в [Bergrnann, 1965], учитывает коэффициенты передачи двух транзисторов (хотя предполагается, что эффективность эмиттеров равна единице), т. е.

t = 2(--) . . (2.28)

Приведенное выражение для времени нарастания можно трактовать только как очень грубое приближение. В частности, следует отметить, что времена пролета и нарастания тока зависят от напряжения. Время нарастания тока, кроме того, зависит также и от тока, а ток и напряжение изменяются очень быстро в течение этого этапа.

Однако уравнение (2.28) показывает, что время нарастания увеличивается, когда возрастает время пролета и нарастание тока уменьшается. Другими словами, для быстрого включения тиристора необходимо иметь узкую базовую область и высокие коэффициенты усиления р - п~р- и п-р -п-транзисторов. К сожалению, как будет показано позднее, требование к коэффициентам усиления транзисторов, которое обеспечивается за счет повышения времени жизни неосновных носителей заряда, не согласуется с требованием быстрого выключения прибора. Это необходимо учитывать при проектировании тиристоров, так как обычно быстрое включение и быстрое выключение требуется для высокочастотного прибора.

Ранее предполагалось, что время нарастания является полностью зависимым параметром. На практике внешняя цепь накладывает свои ограничения на нарастание тока и по этой причине время нарастания обычно определяется как время, в течение которого напряжение уменьшается на 10%, а ток увеличивается.

Если в цепи имеется индуктивная нагрузка, то она посредством индукции будет сдерживать нарастание анодного тока. Различие в форме сигнала напряжения и тока между активной и индуктивной нагрузками показано на рис. 2.19. В случае резис-тивной нагрузки ток и напряжение спадают и нарастают одновременно. Это происходит потому, что цепь определяется законом Ома, а в конце этапа включения почти все напряжение,