39.Принципы действия, вах тиристоров. Требования, предъявляемые к материалам.

Тиристор, или кремниевый управляемый выпрямитель, является полупроводниковым прибором, который используется для преобразования электрического тока и напряжения. Тиристор представляет собой четырехслойную структуру с тремя выводами и пропускает ток между анодом и катодом, когда на его управляющий электрод подается сигнал управления. В отсутствие сигнала управления прибор может блокировать высокое напряжение при малом токе утечки. В настоящее время разработаны тиристоры, блокирующие напряжение свыше 6000 В и проводящие ток более 3000 А (пределы тока и напряжения продолжают увеличиваться).

Четырехслойная тиристорная структура показана на рис. Она состоит из двух глубоких диффузионных слоев р-типа (слой P1 является анодным эмиттером, слой Р2 — р-базой), между которыми находится широкая слабо проводящая n-база N1. Диффузионный n+-слой образует катодный эмиттер N2. Слои Р1 и N2 снабжены омическими контактами, образующими анод­ный и катодный выводы, а третий контакт, соединенный с р-базой, является управляющим электродом. Когда к аноду при­ложен отрицательный по отношению к катоду потенциал, тиристор обладает высоким сопротивлением. Если к аноду приложен положительный потенциал, то прибор также имеет высокое со­противление до тех пор, пока на его управляющий электрод не подается сигнал управления. После этого происходит включение тиристора. Переход из закрытого состояния в открытое происхо­дит очень быстро, и тиристор остается в открытом состоянии, даже если закончится сигнал управления. Переключение из открытого состояния в закрытое обычно производится не по управляющему электроду, а с помощью внешней цепи. Прибор выключается, когда ток уменьшается ниже критического уровня, называемого током удержания.

Рисунок 4.1 – Структура базового тиристора

Вольтамперная характеристика представлена на рис. 4.3. В обратном закрытом состоянии к аноду прикладывается отрицательный потенциал по отношению к катоду и переходы J1 и J3 становятся обратносмещенными и в этом случае ВАХ тиристора аналогична ВАХ обратносмещённого диода. При прямом смещении при определённых условиях, когда напряжение превысит (рис. 4.3), тогда тиристор переходит во включенное состояние. Напряжение включения регулируется током управления (рис. 4.3). Переключение происходит тогда, когда суммарный коэффициент передачи по току при двух транзисторах, с помощью которых можно представить или промоделировать тиристор (рис. 4.3), становится равным 1.

Т.е. .

УЭ- управляющий электрод;

сопротивление эмиттерного катодного шунта.

Рисунок 4.2 – Двухтранзисторная модель тиристора

Для управления величинами напряжений и токов тиристоров проводят шунтирование эмиттерных катодных переходов ( на рис. 4.2). В обратном закрытом состоянии к аноду прикладывается отрицательный потенциал по отношению к катоду и оба перехода Л и J3 становятся обратносмещенными.

Поскольку слой является слабо легированным, иначе гово­ри, обладает значительно большим сопротивлением, чем слой , практически все напряжение прикладывается к переходу и в этом случае вольтамперная характеристика тиристора аналогич­на характеристике диода (рис. 4.3). Между анодом и катодом может быть приложено высокое напряжение при проте­кании очень малого тока утечки. Однако если это напряжение превысит напряжение пробоя перехода J2, то ток вследствие эффекта лавинного умножения быстро увеличится. В прямом закрытом состоянии переход J2 становится обратносмещённым и блокирует приложенное напряжение.

Рисунок 4.3 – Характеристика тиристора (слева)

Рисунок 4.4 – Характеристики тиристора в открытом состоянии (справа)

Дальнейшее превышение критического уровня может привести к быстрому увеличению тока, но если ток превысит некоторый пороговый уровень, так называе­мое напряжение переключения , то произойдет включение тиристора (рис. 4.4). Как правило, напряжение включения регулируется величиной тока управляющего электрода УЭ.

Отправной точкой в процессе разработки тиристоров явля­йся, конечно, выбор исходного материала, а именно самого полу­проводника. В качестве материала, использующегося в настоя­щее время для создания мощных тиристоров, служит кремний или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легирован­ный фосфором кремний n-типа. В некоторых случаях применя­йся также эпитаксиальный кремний, который будет рассматри­ваться позднее. Однако стоит изучить причины, приведшие к такому выбору материала, и выяснить, является ли это подходящей альтернативой.

Существуют три типа полупроводниковых материалов, кото­рые используются для производства мощных тиристоров: герма­ний, кремний и арсенид галлия.

Полупроводник должен удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Время жизни неосновных носителей должно быть большим для обеспечения незначительного напряжения тиристора в открытом состоянии.

2. Необходимо обеспечить достаточную глубину залегания диффузионных переходов, чтобы они могли выдерживать высокое обратное напряжение.

3. Поскольку мощный тиристор имеет большие размеры, полу­проводниковый материал должен обладать равномерным рас­пределением донорной примеси и совершенной кристаллической структурой.

4. Для достижения высоких значений обратного напря­жения необходимо обеспечить низкую концентрацию примеси.

5. Для уменьшения напряжения в открытом состоянии при­бора требуется высокая подвижность носителей заряда.

6. Материал должен выдерживать высокую температуру и иметь большую теплопроводность.

40. Методы, используемые для регулирования тока и напряжения включения тиристоров.

Рассмотрим теперь время жизни неосновных носителей заря­да в кремнии. Поскольку оно влияет на такие важные характе­ристики прибора как его утечки, напряжение в открытом состоянии и время выключения, этот параметр также необходимо учитывать при изготовлении тиристора.

Если в полупроводнике имеется избыток носителей, обуслов­ленных, например, инжекцией или тепловой генерацией, то пред­полагается, что при тепловом равновесии инжекция или генера­ция носителей уравновешивается процессами рекомбинации.

Рекомбинация электронов и дырок может происходить через переходы зона- зона, а также глубокие примесные уровни или ловушки. Такая рекомбинация характеризуется временем жизни неосновных носителей заряда, которое в первом приближении определяется отношением избытка плотности заряда неосновных носителей к скорости рекомбинации R. Например, для дырок в кремнии n-типа носителей заряда , где избыточная концентрация инжектированных дырок. Время жизни неосновных носителей заряда для ловушек плот­ностью с одним уровнем энергии в запрещенной зоне крем­ния.

Собственные времена жизни соответственно дырок и электронов:

(4.1)

Здесь - сечения захвата дырок и электронов уровнями ловушек;

- тепловая скорость носителей;

плотность ло­вушек;

плотность ловушек.

При условии низкого уровня инжекции в выключенном сос­тоянии или на заключительной стадии этапа восстановления при выключении выражение для времени жизни:

(4.2)

где - отношение сечений захвата уровней ловушек,

энергетический уровень ловушек

Следует отметить, что время жизни при низком уровне инжек­ции в значительной степени зависит от характеристик определя­ющего уровня ловушки (

При высоком уровне инжекции и выражение для времени жизни принимает вид:

(4.3)

Это время жизни трактуется, как амбиполярное время жизни при высоких уровнях инжекции. Оно является критичным при определении напряжения на тиристоре в откры­том состоянии.

Основной задачей при конструировании тиристора является выбор соответствующего значения времени жизни для вычисле­ния характеристик прибора. В случае быстродействующих ти­ристоров требуется малое время выключения. Поэтому и время жизни в приборе обычно регулируется путем введения известных примесей или электронным облучением. Уровень ло­вушки, определяющий время жизни, хорошо известен, и время жизни можно точно вычислить, используя вышеприведенные ана­литические выражения. Энергетические уровни и сечения захвата для контролируемых уровней ловушек приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Энергетические уровни и поперечные сечения захвата для контролируемых уровней ловушек

Тип дефекта	Энергетический уровень , эВ	Сечение захвата,
		Дырки	Электроны
Золото
Платина
Электронное облучение

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; p-база и p-эмиттер формируются обычно в процессе одной диффу­зионной операции.

Коэффициенты инжекции могут быть представлены соответ­ственно для p- и n-эмиттера в виде:

(4.4)

(4.5)

где средние равновесные плотности основных

носителей слоях

ширина электро-нейтральных областей

диф-фузионные длины неосновных

носителей в областях

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 и 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:

(4.6)

(4.7)

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 Р0 с высокой концентрацией примеси (рис. 4.6).

В мощных тиристорах для этой цели используется слой, который образуется в процессе сплавления и дает поверхностную концентрацию в пределах от до В качестве альтернативного 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 выполняется при использовании эмиттерных шунтов.