Рис. 4.6. Зависимость Vp + /Vf, от W /x для р-п-п-диода

На рис. 4.5 показаны конструкция и распределение электрического *ноля обычного тиристора и ТОП, спроектированного на одинаковое прямое блокирующее напряжение. По сравнению с обычным тиристором ТОП имеет щирокую базу, состоящую из двух слоев: высокоомного слоя и низкоомного буферного п+-слоя (Nt)- В прямом блокирующем состоянии слой объемного заряда, распространяющийся в -область, достигает -буферного слоя, нет затем эффективно ограничивается высоколегированной частью этого слоя.

Распределение электрического поля ТОП имеет вид трапеции, в то время как в обычном тиристоре поле треугольной формы, что очень напоминает р-i-п-диод [Као, 1970]. Поскольку напряжение на р-п-переходе пропорционально площади кривой электрического поля, соверщенно ясно, что для структуры ТОП слой N2 может быть существенно уже, чем для обычного тиристора с таким же блокирующим напряжением.

Из [Као, 1970] напряжение пробоя р-п-п+-диода вычисляется по формуле

=2r,-r,

(4.2)

где r\=Wn/x ; 1/р +- напряжение пробоя р -п -п+-диода; Vpn - напряжение пробоя диода с одинаковой проводимостью и-слоя; Wn - щирина п-базы р-п-п+-диода; х - щирина слоя объемного заряда в диоде с одинаковой проводимостью, но неограниченной щириной п-базы.

Это равенство графически представлено на рис. 4.6. Оно может быть использовано совместно с графическими приведенными зависимостями в предыдущих главах, для определения напряжения пробоя и протяженности области пространственного заряда в р-п-переходе, а также для установления оптимального со-отнощения между щириной слоя и проводимостью для р-п-п * -диода. Например, диод, рассчитанный в [Ghandi, 1977] на напряжение 1700 В, имел ширину базы 160 мкм, когда концентра-

ция примеси в базе составляла 8-10 см~. При снижении концентрации примеси до 2- Ю см~ ширина базы уменьшилась до

1102 мкм. Для ТОП с аналогичной конструкцией и буферным п-слоем дополнительным преимуществом является значительное уменьшение коэффициента передачи р-п-р-транзисторной секции прибора, в результате чего прямое напряжение пробоя ТОП приближается к напряжению пробоя р-п- -диода. Выбор правильного уровня легирования -буферного слоя зависит в основном от требования к обратному напряжению ТОП. Например, для 30 В подходит уровень легирования, равный 2-10 см . Этот слой может формироваться либо в результате диффузии из фосфорного или мышьяковистого источника, либо методом эпи-таксиального наращивания.

Следует отметить, что в случае ТОП требуется более низкий уровень легирования, чем при изготовлении обычных мощных

tприборов. Поэтому тем более необходим особый контроль за режимом диффузии. Уменьшенная ширина базы ТОП существенно помогает снижению падения напряжения и сокращает время включения прибора за счет сужения -базы. Процесс выключения также ускоряется, поскольку узкая -база способствует меньшему значению накопленного заряда. Таким образом, ТОП обладает вполне определенными преимуществами для различных областей применения по сравнению с обычными тиристорами за счет существенного уменьшения обратного напряжения [Chu е. а.], [Locher,

1981. Дальнейшее улучшение характеристик может быть до-л-игнуто путем комбинирования ТКВ с ТОП, что дает возможность спроектировать высокочастотные тиристоры, описанные в [BacLivier е. а., 1980], [Coulthord, Pezzani, 1981] и способные коммутировать несколько сотен ампер при частоте 50 кГц.

4.3 Запираемые тиристоры

woro в закрытое состояние, когда ток или прерывается, или ме-няет свое направление под действием внешней схемы, которая управляет током нагрузки. Для схем, работающих от источников переменного тока, ток естественным образом каждые полпериода меняет свое направление, обеспечивая тем самым реализацию выключения прибора.

Если схема работает от источника постоянного тока или требуется управлять переключением тиристора с помощью добавочного источника фиксированной частоты, то изменение направления тока достигается за счет его принудительной коммутации; Для этого обычно используется добавочный тиристор, который обеспечивает протекание тока наТруйки в цепи с индуктивностью

\7thai

THAZ

Рис. 4.7. Схема инвертора Мак-Мюррея

ИЛИ емкостью, где запасается энергия, необходимая для выключения тиристора.

На рис. 4.7 приведена в качестве примера схема инвертора Мак-Мюррея. Коммутирующие тиристоры THAI и ТНА2 используют энергию, накопленную в L и С, для выключения главных тиристоров ТН1 и ТН2, которые включаются попеременно, чтобы получить переменный ток в нагрузке от источников постоянного тока.

Запираемый тиристор тем не менее является прибором, который можно включать и выключать путем приложения к управляющему электроду положительного и отрицательного сигналов. Следовательно, при его использовании в схемах тиристоров коммутирующие элементы не нужны. В этом отнощении запираемый тиристор напоминает мощный транзистор: оба прибора являются полностью управляемыми ключевыми элементами. Например, если установить запираемый тиристор в простой схеме инвертора на рис. 4.7, то отпадает необходимость во вспомогательных тиристорах, индуктивности L и емкости С. Простейщая схема инвертора на базе запираемого тиристора показана на рис. 4.8.

4.3.1. Принцип действия запираемого тиристора

Базовая структура запираемого тиристора показана на рис. 4.9. Она очень похожа на структуру обычного тиристора. Наиболее существенное отличие запираемого тиристора от обычного заключается в том, что первый имеет эмиттер в виде узких длинных полос, окруженных управляющими электродами, без шунтирования катода. При включении прибора управляющий электрод смещен положительно относительно катода, что приводит к вве-

Нагрузка

Рис. 4.8. Простейшая схема инвертора на базе запираемого тиристора