Рис. 2.27. Вольт-амперные характеристики тиристора (2500 В) в открытом состоянии с учетом включения различных физических механизмов в расчетную модель: / - ширина запрещенной зоны сже-рассеяния и рассеяние носителей на носителях; 2 - оже-рас-сеяние и рассеяние носителей на носителях; 3 - рассеяние носителей на носителях; 4 - оже-ре-комбииация; 5 - постоянная температура; 6 - номинальный случай - тепловая проводимость 50 Вт/(см-К)

0 12 3 4

Напрятеиие, Б

состоянии изменяются во времени. Однако в [Adler, 1978] это ограничение преодолено за счет использования в расчетах тепло-отвода с высокой теплопроводностью [50 Вт/(см-К)]. Кривая напряжения, полученная на стационарной модели, хорошо согласуется со значениями напряжения, измеренными на реальных приборах, если использовать четвертьпериодные синусоидальные импульсы частотой 60 Гц.

На рис. 2.27 показано семейство вольт-амперных кривых для тиристора на напряжение 2500 В, воспроизведенных по результатам [Adler, 1978]. Кривая 6 на рис. 2.27 рассчитана с учетом нескольких физических механизмрв рассеяния, а кривая 5 является результатом расчета без учета отвода тепла. Очевидно, что действие отвода тепла начинает сказываться лишь при плотности тока выше 300 А/см. Остальные характеристики получены без учета физических механизмов рассеяния. Оба механизма (рассеяние носителей на носителях и Оже-рекомбинация) необходимо иметь в виду, особенно при ударных прямых токах (1000 А/см). С другой стороны, было установлено, что влияние сужения запрещенной зоны не заметно до тех пор, пока сказывается влияние обоих этих эффектов.

В [Adler, 1978] также показано важное влияние рекомбинации носителей на рассеиваемую мощность тиристора. Оказалось, что при плотности тока приблизительно 100 А/см рассеиваемая мощность обусловлена главным образом рекомбинацией в объеме. Однако при ударных прямых токах (1000 А/см) эффект омического нагревания выступает на первый план вместе-с вкладом от поверхностной рекомбинации на р~ -аноде. В ре-

зультате для рассматриваемого случая 66% всей мощности рассеивается на анодной половине прибора.

2.5. Выключение

Тиристор в открытом состоянии содержит избыток носителей в базовых областях, причем количество этих носителей увеличивается с ростом плотности прямого тока. Для выключения тиристора необходимо удалить избыточные носители или накопленный заряд, чтобы прибор мог вернуться в непроводящее состояние. Этот процесс осуществляется или путем прерывания тока, или в результате принудительной коммутации тока.

В первом случае тиристор выключается следующим образом. Анодный ток прибора уменьшается ниже уровня тока удержания : за счет наличия параллельно включенного выключателя или уве- личения активной нагрузки. В этом случае накопленный в тиристоре заряд удаляется путем рекомбинации носителей.

Во втором случае процесс выключения состоит в том, что . анодный ток заставляют протекать в противоположном направле- НИИ путем приложения обратного напряжения к тиристору. Это ? может происходить при естественной коммутации, которая осуществляется через каждую половину периода в цепи переменного тока или в результате принудительной коммутации, когда . отдельная коммутирующая цепь с напряжением обратной поляр- ности подключается между анодом и катодом тиристора. При этом часть накопленного избыточного заряда удаляется благодаря приложению обратного напряжения, которое помогает ускорять процесс выключения. Принудительная коммутация тока находит широкое распространение для тиристоров и позволяет достаточно наглядно проанализировать физические процессы при их выключении. Типичные формы сигналов тока и напряжения показаны на рис. 1.5.

В проводящем состоянии все три перехода тиристора смещены в прямом направлении. В процессе выключения первый переход восстанавливается, имеется в виду восстановление блоки-I рующей способности перехода J3. Это происходит потому, что [, время жизни неосновных носителей заряда в р-базе меньше, чем в п-базе, и шунты катодного эмиттера способствуют извлечению заряда. При протекании обратного тока происходит извлечение заряда из тиристора до тех пор, пока концентрация носителей f. вблизи анода перехода Л не понизится и не станет достаточной для его восстановления. Потенциал на приборе меняет полярность, если на переходе поддерживается наибольшее обратное напряжение.

Если как переход , так и переход J3 смещены в обратном к направлении, то тиристор ведет себя как р - п - р-транзистор ! с плавающей базой, а спад носителей зависит главным образом от их рекомбинации в области п-базы.

Если прямое напряжение будет снова приложено к переходу до того, как спадет весь заряд, то появится всплеск тока. Значение этого тока определяется не только количеством остаточного заряда, но также и скоростью нарастания dv/dt вновь приложенного напряжения, что аналогично индуцируемому току смещения за время нарастания напряжения в тиристоре. При достаточно большом токе тиристор переключится в состояние проводимости и его полное выключение или, более точно, прямое восстановление не будет достигнуто.

Анализу процесса выключения тиристора посвящены работы [Baker, Goldey, Ross, 1959], [Davies, Petruzella, 1967] и [Sund-resh, 1967]. К сожалению, они не нашли практического применения при проектировании тиристора, так как не учитывают влияния индукции цепи на вольт-амперные характеристики прибора при выключении. В частности, индуктивность препятствует быстрой смене тока во время коммутации и увеличивает напряжение на приборе, обусловленное эффектом L (di/dt).

Процессы выключения с помощью принудительной коммутации тока, включая индуктивную нагрузку, изучались в [Assalit, 1981]. Если предположить, что до выключения прибор находился во включенном стационарном состоянии, то накопленный заряд

Qf = KoTpIf, где Коапрп- (2.46)

Заметим, что заряд Qf зависит не только от прямого тока If, но также и от времени жизни неосновных носителей заряда Тр и коэффициента передачи п - р - п-транзистора. Прикладываемое напряжение затем изменяется на обратное, но при индуктивной нагрузке не может произойти мгновенного изменения тока на обратный. Согласно рис. 1.5 ток уменьшается со скоростью di/dt до нуля за некоторое время t, которое определяется как время начала выключения прибора. Параметр di/dt зависит от приложенного обратного напряжения и индуктивности цепи. В момент равенства тока нулю накопленный заряд [Assalit, 1981]

Q,o=Q,j£-(i exp(-=)). (2.47)

При высокой скорости уменьшения тока и небольших индуктивных нагрузках то<Стр, а следовательно, QmQf. При больших индуктивных нагрузках, когда скорость уменьшения тока di/dt незначительна, Трто, а накопленный заряд

Q cQ:=Ko4. . (2.48)

Таким образом, при невысокой скорости di/dt накопленный заряд в момент равенства тока нулю не зависит от значения на-