При изменении времени жизни носителей заряда от I до 30 мкс Vsp увеличивается от 3 до 20 10 см/с. С увеличением ширины базы от 100 до 800 мкм Vsp снижается от 8 до 1000 см/с. Поэтому можно предположить, что тиристоры с узкимии базовыми областями и большими временами жизни носителей имеют меньшее время распространения.

В [Assalit, Kim, Celie, 1983] были получены данные о распространении плазмы на основании измерений вольт-амперных характеристик тиристора. На рис. 2.21 показана петля вольт-амперной характеристики, которая является результатом приложения однополупериодного тока к тиристору. С увеличением тока напряжение возрастает, достигая своего максимального значения, так как в тиристоре не происходит мгновенного перехода в состояние полной проводимости.

Однако если ток превышает некоторое значение /с/., то тиристор становится полностью проводящим. Дальнейшее пропорциональное увеличение тока и напряжения показано на рис. 2.21 штриховой линией. При токе меньше 1 напряжение падает со снижением тока более плавно, а это значит, что проводящее состояние распространилось в приборе полностью.

Уровень тока 1а, названного током смыкания, позволяет исследовать явление распространения плазмы в приборе, поскольку он изменяется обратно пропорционально скорости рас-кространения Vsp.

В [Assalit, Kim, Celie, 1983] рассчитан ток смыкания как функция нескольких параметров прибора с использованием тестовых тиристоров 2000 и 1200 В (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Обобщение результатов расчета зависимости тока смыкания от параметров прибора

2.3.4. di/dt-сгойкосуь

Если начальная скорость возрастания анодного тока окажется слишком высокой, то тиристор может повредиться в результате увеличения температуры структуры. Ограничение скорости di/dt для предотвращения разрушения прибора связано с размерами первоначальной области включения и скоростью ее распространения. Разрушение слоя кремния очень устойчиво и сопро-

вождается выходом прибора из строя. В [Ikeda and Araki, 1967] было показано, что диапазон температур, при котором тиристор выходит из строя от эффекта di/dt, лежит в интервале температур от 1100 до 1300° С, фактически несколько ниже температуры плавления кремния (1415° С). Разрушения происходят по нескольким причинам. Высокий градиент температуры между проводящей и непроводящей областями обусловливает локальное напряжение кремния вследствие эффекта термического расширения, вызывающего разрушение кремния или металлического контакта. Кремний при температуре выше 600° С быстро разрушается, вызывая тем самым короткое замыкание через прибор.

Стойкость прибора к эффекту di/dt может быть повышена путем увеличения размера начальной области включения при проектировании эмиттера тиристора с большой протяженностью края управляющего электрода (§ 3.5). Аналогичный результат удается получить также посредством уменьшения времени включения, так как выделяемая энергия за это время будет минимальной за счет уменьшения времени распространения.

2.4. Открытое состояние

Во время нормальной работы тиристор должен обеспечить большой ток с минимальной потерей мощности. По этой причине рассмотрение вольт-амперных характеристик является важным моментом при проектировании тиристора.

Когда тиристор находится в проводящем состоянии, р-эмит-тер инжектирует дырки, а п-эмиттер - электроны в - и р-базы соответственно. Плотность избыточного заряда носителей значительно превышает основной уровень легирования базовой области. Поэтому тиристор в стационарном проводящем состоянии очень напоминает р-/-п-диод (рис. 2.22) с дырками, текущими от р-эмиттера, и электронами, текущими от п-эмиттера, заливающими базовые области. Такая высокая плотность электронов и дырок в результате приводит к возникновению так

называемого эффекта модуляции проводимости, при котором существенно уменьшается сопротивление базы до низкого уровня, и на тиристоре в открытом состоянии падение напряжения весьма мало.

Для изучения влияния физических параметров прибора на его характеристики в открытом состоянии используется р-i-п-модель

проводящего тиристора. Однако

следует отметить, что р-/-п-мо-Рис. 2.22. Модель р-г -п-тиристо-

ра дель не учитывает влияния перехо-

да J2. В период проводимости переход J2 становится прямосмещен-ным: он ведет себя как коллекторный переход транзисторов P1N1P2 и N2P2N1, которые в условиях высокой плотности тока являются насыщенными. Переход J2 становится смещенным в прямом-направлении потому, что для N2P2N1 транзистора дырки инжектируются обратно из базы Р2 в коллектор N1, а в транзисторе P1N1P2 электроны инжектируются из базы N1 к коллектору Р2. Обратная инжекция в каждом случае необходима для обеспечения нейтральности заряда, т. е. равенства концентрации подвижных дырок и электронов. Таким образом, заряд в тиристоре отличается от заряда в р-/-п-диоде за счет небольшой обратной инжекции зарядов через переход J2.

Справедливость диодной р-/-п-модели тиристора подтверждается в [Chang, Wolley, Bevacyna, 1973] с помощью расчетов на ЭВМ. Авторы установили, что в нормальном и импульсном диапазонах тиристоры ведут себя почти так же, как р-/-л-дио-ды, независимо от концентрации легирующей примеси вплоть до величины 10 см Поэтому целесообразно рассмотреть работу р-i-п-диода в открытом состоянии.

2.4.1. р-/-п-диод

Если предположить что для р-/-п-диода, показанного на рис. 2.22, эффективность инжекции из крайних областей равна единице, т. е. отсутствует протекание тока неосновных носителей заряда в эти крайние области, то прямой ток

qGdx (2.34)

обусловливается только рекомбинацией электронов и дырок в ба-

. зовой области.

Ширина базы 1Ув = 2с?, скорость рекомбинации, определяемая

при высоких уровнях тока, G = n/xeii, где Хец - эффективное время жизни носителей заряда. Предполагается, что средние концентрации инжектируемых дырок р и электронов п равны и значительно превышают собственную концентрацию носителей

После интегрирования уравнения (2.34) получаем

j=iSJ4 (2.35)

Tell

Если далее сделать предположение об однородности концен-! грации носителей в базе и пренебречь диффузией носителей, то плотность тока, обусловленную усредненным электрическим полем Е, можно записать в виде

J = q{lx -\-iXp)nE, (2.36)