Однако следует подчеркнуть, что рассмотренная методика проектирования основывается на определении значения напряжения обратного пробоя без учета влияния поверхности перехода и условия возникновения прямого пробоя. На практике обычно учитывается, что будет достигнута лишь часть значения напряжения объемного пробоя, которая определяется по методике, используемой отдельно для каждого конкретного контура поверхности (см. п. 2.2.4).

Для тиристора, имеющего шунты в катодном эмиттере, можно с достаточной точностью предположить, что прямое и обратное напряжения пробоя у него приблизительно равны, а чтобы получить более точные результаты, необходимо решить уравнение (2.21).

При проектировании тиристора необходимо учитывать ток утечки, так как при высокой температуре необходимо ограничить прямой и обратный токи с целью уменьшить выделение тепла и гарантировать стабильность работы прибора. Ток утечки трудно предсказать с необходимой точностью, поскольку этот параметр в значительной степени определяется локальными неоднороднос-тями в кремнии, хотя в первом приближении для его расчета можно использовать уравнение (2.5). Различные способы снижения тока утечки прибора, такие, как предотвращение образования локальных неоднородностей и правильный контроль времени жизни, обсуждаются в гл. 5.

3.3.3. р-(Р1 и п-эмиттеры [N2]

В открытом состоянии тиристора эмиттерные области характеризуются коэффициентами инжекции эмиттеров двух составных транзисторов и плотностью избыточных носителей в базовых областях. Оба эмиттера обычно являются диффузионными слоями: для катода легирующей примесью служит фосфор, а для анода - галлий, алюминий или бор; р-эмиттер используется также для блокирования обратного напряжения тиристора; р-база и р-эмиттер формируются обычно в процессе одной диффузионной операции.

Коэффициенты инжекции могут быть представлены соответственно для р- и п-эмиттера в виде [Sze, 1981]

v =(n--) . (3.16)

где iVft , Npf, Np2 и - средние равновесные плотности основных носителей в слоях N1, Р1, Р2 и N2; W, и Upg - ширина 74

базовых областей N1 и Р2; Lp, и - диффузионные длины неосновных носителей заряда в эмиттерах.

При высоком уровне инжекции коэффициенты в обоих случаях должны быть достаточно большими, для того чтобы обеспечить максимальный избыточный заряд и, следовательно, минимальное сопротивление базовых областей тиристора в открытом состоянии. Это реализуется при больших диффузионных длинах и малой величине отношений NfjJNpi и Np2/N2- С хорошим приближением концентрации основных носителей и равновесных условиях принимаются равными средним уровням легирующей примеси в соответствующих областях тиристора. Для высокой эффективности эмиттера концентрация легирующей примеси в эмиттерном слое должна быть высокой, а в базе - низкой.

Если, например, предполагается, что коэффициент инжекции должен быть равен 0,99, то задаются следующими условиями расчета:

() (к) (t) (кУ

Однако для р-эмиттера диффузия часто проводится при низких концентрациях легирующей примеси. В этом случае получается мелкий концентрационный профиль, требуемый для р-базы, и обеспечивается высокое напряжение пробоя. Естественно, что при такой диффузии не удовлетворяются вышеупомянутые условия. Проблема может быть решена за счет создания вблизи поверхности слоя РО с высокой концентрацией примеси (рис. 3.2).

В мощных тиристорах для этой цели используется слой, который образуется в процессе сплавления и дает поверхностную концентрацию в пределах от 5-10* до 10 см *. В качестве альтернятивного решения может быть использована диффузия бора.

Несмотря на то что при высоком уровне инжекции требуется большой коэффициент инжекции для достижения минимального напряжения тиристора в открытом состоянии, при низком уровне инжекции коэффициент передачи тока, а следовательно, и коэффициент инжекции должны быть небольшими для того, чтобы обеспечить низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя. Это условие вьшолняется при использовании эмиттерных шунтов.

3.4. Эмиттерные шунты

Шунты предназначаются для закорачивания эмиттерного перехода тиристора. Катодные эмиттерные шунты применяются для улучшения прямого напряжения пробоя и стойкости прибора к эффекту dv/dt. В этом параграфе описывается конструирование этих шунтов с одновременным качественным описанием анодных

КВадра

Треугольник ds

Рис. 3.9. Расположение шунтов катодного эмиттера

шунтов. При любом расчете эмиттерных шунтов, проводимом с учетом эффекта dv/dt, необходимо принимать во внимание, что этот эффект вызывает емкостной ток смещения, определяемый как Cd(dv/dt). Емкость С, являющаяся емкостью слоя пространственного заряда перехода J2, сильно зависит от приложенного напряжения. Для расчета эмиттерных шунтов используются аналитические уравнения, приведенные ниже, в которых емкость представляется некоторой средней величиной, равной двойной емкости при максимальном повторно приложенном напряжении. Это допущение справедливо при конструировании тиристора [Gerlach, 1977].

3.4.1. Распределенные катодные эмиттерные шунты

Катодные шунты обычно имеют круглую форму и располагаются по площади эмиттера в виде регулярной системы с квадратным или треугольным расположением, как показано на рис. 3.9. Наличие эмиттерных шунтов приводит к потере общей площади эмиттера, а следовательно, и нагрузочного тока. Таким образом, доля шунта, приходящаяся на зашунтированную площадь, является весьма важным конструктивным параметром и определяется по следующим формулам:

при квадратном расположении шунтов