Aid:

Катод

Рис. 3.18. Расположение шунтов, при котором проводящая плазма распро-Рис. 3.17. Тиристор с кольцевым цент- страняется с минимальным сопротивле-ралЬным управляющим электродом УЭ нием:

и треугольным расположением шунтов УЭ - управляющий электрод

рость распространения плазмы в режиме включения. В п. 2.3.3 обсуждалось явление распространения плазмы и, в частности, констатировалось, что для максимальной скорости распространения плотность шунтирования .должна быть минимальной.

Хотя в основной части эмиттера расположение шунтов ограничивается требованиями как стойкости к эффекту dv/dt, так и к выключению у края эмиттера, примыкающему к управляющему электроду, допустима более низкая плотность шунтов, поскольку ток выключения, обусловленный накопленным зарядом, не течет в этой области. Малая плотность шунтов способствует расширению начальной области включения и, таким образом, улучшает стойкость тиристора к эффекту di/dt.

Дальнейшее усовершенствование возможно за счет оптимизации расположения шунтов, непосредственно окружающих управляющий электрод. Расположение шунтов осуществляется таким образом, чтобы проводящая плазма распространялась с минимальным сопротивлением (рис. 3.18).

Следующие факторы, влияющие на стойкость к эффекту di/dt тиристора при включении, были исследованы в [Danielssoii, 1979]. Оказалось, что включение происхо,а,ит преимущественно по кристаллическим осям тиристора: в случае (111) ориентации кремния существует три преимущественных направления включения, а для ориентации кремния по (100) -четыре направления. Этот эффект был описан уравнением для подвижности электронов в различных кристаллографических направлениях.

Поскольку стойкость к эффекту di/dt тиристора при включении является одной из важнейших характеристик прибора и ее значение должно быть по возможности максимальным, особен-

но для приборов, предназначенных для использования в цепях, [-де главным условием является быстрая коммутация, при проектировании приходится прикладывать большие усилия, чтобы реализовать структуры тиристора с управляющим электродом, обеспечивающим высокие значения di/dt. К ним относятся управляющий электрод с электрическим полем в эмиттере, инжектирующий управляющий электрод, регенеративный управляющий электрод, распределенный управляющий электрод. Они обсуждаются в следующих разделах с рекомендациями по проектированию.

3.5.3. Управляющий электрод с электрическим полем в эмиттере

Структура управляющего электрода (УЭ) с полем в эмиттере показана на рис. 3.19. При протекании управляющего тока начинается инжекция электронов у катодного эмиттера в точке А. Эти электроны обуславливают ток нагрузки вдоль -эмиттера, который представляет собой сумму поперечной v и продольной Ij составляющих. В результате увеличивается потенциал точки А относительно точки В, который приводит к возникновению тока в р-базе. Ток базы действует как дополнительный импульс тока управления и включает эмиттер в точке В.

Таким образом, рассматриваемый управляющий электрод использует нагрузочный ток для обеспечения высокой энергии импульса управления. Основная трудность заключается в том, чтобы обеспечить включение прибора в точке А раньше, чем в точке В. Эта проблема решается за счет правильного выбора сопротивления в эмиттере в области электрического поля [Somos, Piccone, 1967].

Щ Поскольку ток управления течет в р-базе как в точке А, так и в точке В, то обе области в конце концов будут включены этим током. Сопротивление в -эмиттере должно быть небольшим, т. е. большая часть нагрузочного тока протекает вдоль эмиттера до того, как будет иметь место включение прибора в точке В.

оКатаВ

у777г,

о Катод

I ~

У /л

Рис. 3.19. Поле, индуцированное управляющим электродом

Рис. 3.20. Эмиттерный управляющий электрод

в открытом состоянии тиристора поле, индуцированное в области А-В, дает небольшой вклад в процесс проводимости, обусловленный поперечным сопротивлением между точками А и В.. В результате уменьшается эффективная площадь эмиттера и увеличивается напряжение в открытом состоянии. Однако использование такого вида управляющего электрода часто становится полезным, когда невозможно использовать другие способы повышения стойкости к эффекту di/dt, особенно при малых токах управления [Glockermer, Fullmann, 1976].

3.5.4. Инжектирующий управляющий электрод

Управляющий электрод , расположенный на части эмиттера [Somos, Piccone, 1976], показан на рис. 3.20. Благодаря наличию этого электрода удается включать тиристор как положительным, так и орицательным током. Когда к управляющему электро.цу прикладывается отрицательный потенциал, управляющий электрод включает тиристор аналогично включению полем, индуцированным током нагрузки. Эмиттер становится смещенным в прямом направлении по отношению к достаточно высокому потенциалу точки А. Нагрузочный ток течет вдоль эмиттера от точки Л* к точке В и индуцирует поперечный ток р-базы в этом же направлении, который, в свою очередь, вызывает включение эмиттера в точке В. Как и в случае управляющего электрода с электрическим полем в эмиттере, нагрузочный ток обеспечивает более высокую энергию в точке В, чем это обеспечивает сигнал управления.

Когда положительный потенциал прикладывается к управляющему электроду, ток электрода течет в противоположном направлении и та его часть, которая протекает в р-базе, осуществляет переключение тиристора в точке В. Таким образом, в условиях положительного смещенияэмиттерный управляющий электрод ведет себя подобно обычному тиристору с центральным управляющим электродом и, следовательно, менее эффективен, чем в случае отрицательного смещения, хотя и требует в 5-10 раз большего тока управления.

3.5.5. Распределенный или разветвленный управляющий

электрод

Простой способ улучшения стойкости к эффекту di/dl тиристора заключается в том, чтобы расширить площадь первоначально включенных областей за счет увеличения длины управляющего электрода путем использования распределенного или развет-

В отечественной научной литературе используется термин Инжектирующий электрод управления - Прим. перев.