чального прямого тока, в то время как при высокой .скорости di/dt он зависит только от прямого тока. За время и в приборе протекает обратный ток и анодный переход восстанавливается, а накопленный заряд уменьшается до значения Q . Следует подчеркнуть, что Qrr¥QRR, т. е. суммарному заряду обратного восстановления тиристора, который протекает в цепи, так как в течение времени восстановления заряд непрерывно инжектируется в базу.

Следовательно, в момент времени t\ уровень накопленного заряда

Qu = Q,o-Qrr, (2.49)

где Qrr - некоторая часть заряда обратного восстановления тиристора Qii. Параметр Qn очень сильно зависит от приложенного обратного смешения, поскольку для высоких уровней смещения заряд обратного восстановления тиристора будет вытягиваться быстрее и Qrr составит большую часть Q.

Когда анодный переход полностью восстановится, остаточный заряд обусловливается преимущественно рекомбинацией. Следовательно, период времени от до t2 определяется только временем жизни неосновных носителей заряда Тр в п-базе и не зависит от влияния внешней цепи. Остаточный заряд можно приближенно представить экспоненциальным выражением в виде

Qit)=Qn ехр (2.50)

Процесс выключения считается законченным, когда оставшегося накопленного заряда Qoji уже не достаточно для того, чтобы открыть тиристор, если к нему снова приложить прямое напряжение. Поэтому

/2-/,=Xplnf--\ (2.51;

Полученное выражение может быть использовано для приближенного определения времени выключения тиристора. Предположим, что Q jj - остаточный заряд, обусловленный протеканием достаточно малого тока / ;;, который необходим, чтобы поддержать проводимость, и Qh - Qf, что справедливо при /п<Стр и Qrr<Qio- Тогда время выключения

/, = гр1п(). (2.52)

Заметим, что ток / /f примерно равен току удержания тиристора. Например, если ток удержания тиристора составляет 0,5- 1 A/cм, а плотность прямого тока равна 100-500 А/см, то ; время выключения (4,6 4-6,9) Тр. Это время мало зависит от

изменения значений прямого тока и тока удержания, чего нельзя сказать применительно к времени жизни неосновных носителей заряда Тр.

Анализ процесса выключения тиристора проводился также с помощью моделей, описанных, например, в [Fukui, Naito, Tera-sawa, 1980] и [Lietz, 1967]. В первой модели учитываются влияние шунтирования катодного эмиттера и эффект повторного приложения dv/dt. В [Fukui, Naito, Terasawa, 1980] дается точное решение аппроксимации в одномерном приближении с учетом зависимости подвижности от температуры, концентрации примеси и плотности носителей.

Влияние шунтирования катодного эмиттера необходимо иметь в виду на двух следующих этапах процесса выключения. Во-первых, после падения тока ниже нуля переход J3 прибора без шунтирования катодного эмиттера восстанавливается и начинает блокировать протекание тока, что, в свою очередь, препятствует экстракции электронов из катода. В шунтированном приборе больший электронный ток будет протекать через переход 13, поскольку транзистор N2P2N1 продолжает проводить ток, обусловленный инжекцией дырочного тока в базу через шунты. Это явление ускоряет рассасывание накопленного заряда. Во-вторых, в течение повторного приложения прямого напряжения dv/dt шунты эмиттера способствуют эффективному снижению инжекции п-эмиттера. Появляется дырочный ток, обусловленный как накопленным зарядом, так и емкостным током смещения, который удаляется из р-базы без включения тиристора (см. § 3.4.).

В [Fukui, Naito, Terasawa, 1980] была определена концентрация электронов и дырок в приборе в процессе выключения и показано, что они быстро рассасываются вне и по краям базовых областей и медленно рассасываются в центре базовой области. Аналогичный эффект был обнаружен в [Temple, Holroyd, 1983], где подчеркнуто влияние времени жизни носителей в широкой базовой области. В этой работе показано, как надлежащее размещение узкой области с низким временем жизни перпендикулярно силовым линиям тока в центре п-базы способствует более быстрому рассасыванию заряда в базовой области с минимальным уменьшением прямого падения напряжения в открытом состоянии. Эта техника и другие методы улучшения свойства выключения тиристора обсуждаются в п. 5.6.3.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРОВ 3.1. Выбор полупроводникового материала

Отправной точкой в процессе разработки тиристоров является, конечно, выбор исходного материала,.а именно самого полупроводника. В качестве материала, использующегося в настоящее время для создания мощных тиристоров, служит кремний или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легированный фосфором кремний п-типа. В некоторых случаях применяется также эпитаксиальный кремний, который будет рассматриваться позднее. Однако стоит изучить причины приведшие к такому выбору материала, и выяснить, является ли это подходящей альтернативой.

Существуют три типа полупроводниковых материалов, которые используются для производства мощных тиристоров: германий, кремний и арсенид галлия. Полупроводник должен удовлетворять следующим основным требованиям.

1. Время жизни неосновных носителей должно быть большим для обеспечения незначительного напряжения тиристора в открытом состоянии.

2. Необходимо обеспечить достаточную глубину залегания диффузионных переходов, чтобы они могли выдерживать высокое блокирующее напряжение.

3. Поскольку мощный тиристор имеет большие размеры, полупроводниковый материал должен обладать равномерным распределением донорной примеси и совершенной кристаллической структурой.

4. Для достижения высоких значений блокирующего напряжения необходимо обеспечить низкую концентрацию примеси.

5. Для уменьшения напряжения в открытом состоянии прибора требуется высокая подвижность носителей заряда.

6. Материал должен выдерживать высокую температуру и иметь большую теплопроводность.

Таблица 3.1. Свойства Si, Ge и GaAs при 300 К