Глава 2

принцип действия тористора

2.1. Введение

В работе тиристора можно выделить четыре стадии, а именно: закрытое состояние, переходный процесс включения, открытое состояние и переходный процесс выключения. Однако необходимо подчеркнуть, что все эти процессы взаимосвязаны. Например, как будет показано ниже, процесс включения очень сильно зависит от приложенного прямого напряжения в закрытом состоянии и уровня модуляции проводимости, который достигается при включении.

Понимание сущности физических процессов, определяющих различные режимы работы тиристора, является необходимым условием при его проектировании, поэтому цель данной главы заключается в том, чтобы дать читателю основные сведения по этому вопросу.

При рассмотрении физических принципов действия прибора нет необходимости приводить подробные математические выкладки и выводить основные математические уравнения. Вместе с тем предполагается наличие некоторых знаний у читателя, относящихся к физике полупроводников, и ожидается, что читатель найдет более подробные сведения по этим вопросам в других опубликованных работах, на которые имеются ссылки в тексте. Следует отметить, что в этой и последующих главах цитируемые работы являются лишь небольшой частью из всех имеющихся публикаций по рассматриваемым проблемам.

Для того, чтобы обеспечить логическую последовательность изложения материала, рассмотрим работу тиристора в выключенном, затем в проводящем и снова в выключенном состояниях.

2.2. Тиристор в закрытом состоянии

2.2.1. Обратное закрытое состояние

Когда анод тиристора имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду, тиристор находится в обратном блокирующем режиме (рис. 2.1). Причем оба перехода и 13 являются в этом случае обратносмещенными. Однако в обычных тиристорах области р- и /г-типа перехода i3 оказываются сильно легированными и поэтому переход 13 до наступления пробоя выдерживает только небольшое обратное напряжение (обычно менее 40 В). Поэтому при высоком анодном напряжении влиянием перехода 13 можно пренебречь. Отсюда следует, что при обратном напряжении тиристор напоминает транзистор с разомкнутой базой P1N1P2 и может моделироваться как таковой при рассмот-

Анод о-

Катод -О

72 J3

Рис. 2.1. Тиристор в обратном блокирующем режиме: X и х,1-протяженности областей пространственного заряда соответственно в областях

р- и п-типа

рении его блокирующей способности при обратном напряжении. Если не учитывать влияния эмиттера Р2 на обратное блокирующее напряжениечто справедливо для низких приложенных напряжений, когда ширина слоя пространственного заряда перехода в и-базе мала по сравнению с общей шириной и-базы, то тиристор ведет себя аналогично диоду при обратном смещении. В этом случае ток утечки [Sze, 1981]

9 i(jC + Xp)

(2.1)

Здесь Dp - коэффициент диффузии дырок; Тр - время жизни неосновных носителей заряда при низком уровне инжекции в и-базе; Nq - концентрация доноров; и, - концентрация собственных носителей заряда; (Хп + Хр) - ширина области пространственного заряда; Xsc - время жизни в области пространственного заряда.

Время жизни неосновных носителей заряда Тр и время жизни носителей в области пространственного заряда Xsc определяются в § 3.2. Первый член в правой части уравнения - это диффузионная компонента тока, а второй член представляет собой генерационный ток, который в кремнии обычно является доминирующей компонентой. Этот ток зависит от температуры и обычно называется тепловым генерационным током утечки. Вели предполо-жить что тиристор продолжает вести себя как диод (т. е. пренебречь влиянием эмиттера Р2), и увеличивать прикладываемое напряжение, то ток может быстро увеличиться вследствие лавинного пробоя перехода Л.

Для резкого перехода напряжения лавинного пробоя при комнатной температуре [Sze, 1981]

Vb=5,34X\0(Ni,)-/\ (2.2)

а для линейного перехода

у = 9,17Х10 а-°\ (2.3)

Здесь N[) - концентрация легирующей примеси, атом/см;

линейный градиент концентрации примеси, атом/см*. Однако если слой пространственного заряда перекроет п-базу раньше, чем достигается вышеупомянутое напряжение пробоя, то произойдет смыкание слоя с переходом 12 и наступит пробой при напряжении смыкания [Ghundi, 1977]

где Шд - ширина п-базы; es - диэлектрическая проницаемость. В действительности напряжение пробоя лежит между значениями Vb и Vpi из-за того, что тиристор при обратном смещении имеет характеристики, аналогичные транзистору. Рассматривая Р1 М1Р2-слои как транзистор с общим эмиттером и разомкнутой базой, можно показать, что ток утечки [Sze, 1981]

где 110 - сумма генерационного тока области пространственного заряда и диффузионного тока перехода [см. уравнение (2.1)]; ссрпр - общий коэффициент усиления транзистора PtNlP2\ М - коэффициент умножения коллекторного перехода .

Коэффициент умножения определяет эффекты лавинного умножения и отношение тока, входящего в область лавины и вытекающего из нее. Из уравнения (2.5) видно, что при УИ = ==1/сср р ток ограничивается только внешней нагрузкой и происходит пробой.

Следующее эмпирическое соотношение [Sze, 1981], связывающее коэффициент умножения с приложенным напряжением V для р - п - р-транзистора с разомкнутой базой, записывается в виде

УИ =-!-. (2.6)

\-(VIVbV

Следовательно,

У,= Ув{\-арпрУ \ (2.7)

где Vb - напряжение пробоя коллекторного перехода; Пв-- коэффициент, изменяющийся в диапазоне от 4 до 10 при различных значениях напряжения пробоя [Moll, See, Wang, 1970] (см. рис. 2.2). Таким образом, отношение Vi/Vb определяется через общий коэффициент усиления базового тока сср,ф.

Точного аналитического выражения для коэффициента усиления тока не существует, однако несколько аппроксимаций все-таки можно сделать.

Коэффициент передачи сс определяется как произведение коэффициента инжекции у и коэффициента переноса ссу, т. е.