Анодное напрямение

Рис. 4.30. Характеристики управляемого полем тиристора для различных смешений затвора

Анод

Рис. 4.31. Асимметричный тиристор со статической индукцией

Все ЭТИ требования удовлетворяются при использовании асимметричной структуры СИТ (рис. 4.31), описанной в [Bali-а, 1980]. За счет того что -буферный слой создан в -базе, дается уменьшить уровень легирования основной -базы. Это, во-первых, позволяет улучшить соотношение между падением на-тряжения во включенном состоянии и прямым блокирующим апряжением, поскольку уменьшается суммарная толщина -5азы (см. §4.2), и, во-вторых, способствует увеличению распро-транения слоя объемного заряда. В результате затвор перекрывает канал при низком напряжении смещения и обеспечивает высокий коэффициент запирания.

Дальнейшее улучшение коэффициента запирания возможно за счет уменьшения до минимума ширины канала. Однако в планарных приборах это затруднительно, так как уменьшается катодная площадь и поэтому ограничивается способность прибора проводить ток в прямом направлении. Узкие каналы проще получить в приборах со скрытым затвором [Nishizawa, Ohtsubo, 1980 .

Механизм проводимости в режиме прямого блокирования исследован в [Baliga, 1981, а]. За основу была взята модель анодного тока, протекающего через потенциальный барьер в области канала:

/,=/оехр(Л1/;-В1/с),

(4.24)

где Vfi и Vc - соответственно напряжения анода и затвора; А, В, /о, - постоянные, определяемые конструкцией структуры, но не зависящие от тока или напряжения.

Используя вышеприведенное выражение в равенстве, уста-авливающем взаимосвязь между коэффициентом запирания и смещением управляющего электрода и анодным током, можно

получить Va 1

Ус V,

Из этого выражения видно, что коэффициент запирания сильно зависит от смещения управляющего электрода и почти не зависит от анодного тока.

Достоинством СИТ является то, что его структура не обладает регенеративными свойствами тиристора (результат взаимодействия двух транзисторов). Когда СИТ находится в закрытом состоянии, его прямое блокирующее напряжение и коэффициент запирания увеличиваются с ростом температуры. Прибор сохраняет работоспособность при температурах до 200° С, а обычные тиристоры только до 125° С.

Исследования эффектов dv/dt и прямого пробоя показали, что СИТ под их воздействием включается в проводящее состояние. Это обусловлено протеканием в слое затвора тока, который сильно смещает затвор в противоположном направлении, т. е. уменьшает эффективный потенциал затвора. У планарного СИТ обратное смещение будет складываться с падением напряжения на последовательном внешнем сопротивлении в цепи затвора, хотя внутреннее сопротивление затвора очень мало.

В приборах со скрытым затвором ситуация значительно меняется, поскольку сопротивление самого затвора значительно больше и даже при нулевом внешнем сопротивлении цепи затвора обратное смещение имеет место при воздействии эффекта dv/dt или прямого пробоя.

Это ограничивает рабочую частоту СИТ со скрытым затвором по сравнению с планарным СИТ, но, как будет показано ниже, возникает много ограничений, обусловленных особенностями выключения этих приборов.

4.6.2. Включение тиристора со статической индукцией

Для того чтобы включить СИТ в состояние проводимости, необходимо убрать смещение или сместить в прямом направлении затвор прибора. Это приводит к исчезновению области объемного заряда и потенциального барьера в зоне канала. Если размеры затвора очень малы и /г-база слабо легирована, то требуется прямое смещение затвора для полной гарантии того, что каналы не перекроются и не произойдет повышенного падения напряжения на тиристоре в открытом состоянии.

Для обеспечения высокой токовой нагрузки и небольшого падения напряжения в открытом состоянии СИТ должен иметь большую площадь катода. В планарных приборах катодная площадь несколько ограничена, поскольку ширина катода примерно равна ширине канала. С целью получения приемлемого уровня проводимости в планарных СИТ необходимо использовать конструкцию с очень тонкими полосками катода и затвора. 126

По технологическим причинам такая геометрия не может быть реализована на большой площади, поэтому планарные СИТ имеют небольшие рабочие токи. В приборах с утопленным затвором ситуация меняется, так как катодный эмиттер занимает большую часть площади и прохождение тока ограничивается только самим затвором.

В [Adler, 1978] приведены результаты исследования двухмерной модели СИТ со скрытым затвором. Оказалось, во-первых, что р -затвор блокирует протекание электронного тока, поскольку эффективная проводящая область уменьшается, и, во-вторых, дырочный ток от анода в основном проходит через затвор, а не через канал. Поэтому снижается уровень модуляции проводимости каналов. Тем не менее при правильном выборе уровня легирования р+-затвора прибор со скрытым затвором обладает значительно меньшим падением напряжения в открытом состоянии, чем в планарном варианте.

Снижение уровня легирования затвора уменьшает падение напряжения в открытом состоянии тиристора. Однако существует ограничение, по уровню легирования, обусловленное проблемой обратного смещения затвора при выключении.

Дополнительным преимуществом с точки зрения такой способности является высокая рабочая температура прибора и в случае скрытого затвора прекрасный тепловой контакт, который может быть осуществлен с катодным эмиттерным слоем прибора.

4.6.3. Выключение тиристора со статической индукцией

Если затвор сместить в обратном направлении, когда СИТ находится в проводящем состоянии, то прибор выключается. Ток, протекающий от анода к катоду, в этом случае ответвляется в затвор, который восстанавливает запирающие свойства как обычный диод до тех пор, пока слой объемного заряда вновь не восстановится и анодный ток полностью не прервется. \

Следует отметить два главных фактора, влияющих на способность СИТ к выключению: во-первых, время жизни неосновных носителей тока и, во-вторых, последовательное сопротивление затвора. Время жизни неосновных носителей контролируется таким же образом, как и в обычных тиристорах. Применение метода регулирования с помощью электронного облучения [Baliga, 1981] дает хороший результат с точки зрения времени выключения и не влияет на другие характеристики прибора, за исключением падения напряжения в открытом состоянии.

Значение последовательного сопротивления затвора сказывается гораздо существеннее на способности СИТ к выключению, поскольку во время выключения значительная часть анодного тока протекает через затвор, вызывая его сильное обратное смещение в тех местах, где сопротивление затвора велико. У пла-