книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

ров-диодов. В то же время наличие ряда дискретных быстровосстанавливающихся диодов и асимметричных быстродействующих тиристоров позволяет выбирать наиболее оптимальную пару этих приборов для различных областей применения.

Первые сообщения об экспериментальных исследованиях тиристоров, прово­ дящих в обратном направлении, появились еще в 1970— 1971 гг. [7.1, 7.2]. В по­ следующие годы описанию параметров разработанных приборов и исследованиям тиристоров, проводящих в обратном направлении, был посвящен еще целый ряд работ [7.3— 7.10].

Наибольшего развития тиристоры-диоды получили в Японии. Японские фир­ мы выпускают тиристоры-диоды на средние токи в открытом состоянии до 400 А, в обратном направлении до 150 А и повторяющиеся напряжения до 2500 В с вре­ менем выключения около 40 мкс. Имеется сообщение о разработке тиристоровдиодов на средние токи 1000/300 А, повторяющееся напряжение до 2500 В, вре­ мя выключения около 40 мкс. В СССР разработаны и выпускаются тиристорыдиоды на ток до 400/160 А, повторяющееся напряжение до 1600 В, ведутся разработки мощных асимметричных тиристоров.

Западноевропейские фирмы и фирмы США отдают предпочтение асимметрич­ ным тиристорам. Наиболее мощные асимметричные тиристоры выпускают фирмы Thomson — CSF (Франция) и General Electric (США) соответственно на токи 955 н 700 А, повторяющиеся напряжения до 2000 и 1400 В, времена выключения 30— 40 и 15— 20 мкс.

Катодные переходы /3 тиристоров, проводящих в обратном направлении, как и обычных тиристоров, всегда имеют достаточно эффективную технологическую шунтировку. Анодные переходы / 1 этих тиристоров образованы обычно сильнолегированным слоем pi+ и относительно сильнолегированным слоем л'. Вслед­ ствие высокого содержания взаимно компенсирующих друг друга донорных и акцепторных примесей при прямом смещении имеет место значительная рекомби­ нация электронов и дырок в слое объемного заряда этих переходов. Кроме того расположенный относительно близко от поверхности переход / ( может обладать заметными омическими утечками. Этот переход нередко также специально изго­ тавливается зашунтированиым [7.1, 7.2, 7.4]. Сказанное позволяет в первом приближении при расчетах напряжения переключения тиристоров, проводящих в обратном направлении, принять равными нулю коэффициенты передачи тока

в первом приближении могут быть приняты равными напряжениям лавинного пробоя соответствующих диодных р-п-п' структур и рассчитаны по известным методикам (см., например, [2.7, 7.11]).

При необходимости более точных расчетов напряжения переключения, макси­ мального напряжения и тока в закрытом состоянии тиристоров, проводящих

вобратном направлении/ можно использовать методику, аналогичную изложен­ ной в § 2.1. При этом следует учитывать токи рекомбинации и омических утечек анодного перехода и встроенное электрическое поле в п'-слое.

Расчеты отпирающих токов управляющего электрода тиристоров, проводящих

вобратном направлении, можно выполнять по формулам, приведенным в § 2.5, лишь в том случае, если, несмотря на наличие л'-слоя, по-прежнему достаточно хорошо выполняется условие несимметричности структуры (2.43), а суммарный ток рекомбинации и омических утечек анодного перехода намного меньше соот­

141

ветствующего тока катодного перехода. Результатами § 2.5 можно пользоваться и в так называемом «симметричном» случае, когда параметры п-р-п и

р-л'-л-р транзисторов полностью идентичны. Такой случай реализуется, на­ пример, если идентичны параметры анодного и катодного переходов, р-базы и л'-слоя, включение тиристора осуществляется подачей токов управления в Обе базы, а напряжение на тиристоре таково, что область пространственного заряда коллекторного перехода охватывает всю толщину л-базы.

Если перечисленные условия не выполняются, то для расчетов отпирающих токов управления тиристоров, проводящих в обратном направлении, необходимо решить следующую систему уравнений:

р-базы (Rt3=pplWa); остальные обозначения те же, что и в § 2.5, причем ин­ дексы 1 и я относятся к анодному переходу и я-базе, включая я'-слой, а индек­ сы 3 и р — к катодному переходу и р-базе.

Уравнения (7.1) справедливы при тех же предположениях, что и уравнение (2.44), за исключением предположений 2 и 6 (см. § 2.5). Если принять, что ко­ эффициент инжекции анодного перехода равен 1 и справедливо условие Rs\^>Rsz>

методами численного расчета. Граничными условиями для ее решения в общем

с я'-слоем управляющий электрод не присоединен и ток управления в эту базу не подается).

Решения системы (7.1) здесь рассматриваться не будут. Заметим только, что при сравнимых значениях Rsi и Rsa и при сравнимых значениях суммарных токов рекомбинации и омических утечек анодного и катодного переходов отпирающие токи управляющего электрода тиристоров, проводящих в обратном направлении, при прочих равных условиях будут больше отпирающих токов управляющего, электрода обычных тиристоров.

Для анализа ВАХ в открытом состоянии тиристоров, проводящих в обрат­ ном направлении, можно воспользоваться моделями, аналогичными рассмотрен­ ным в гл. 3. При относительно низких плотностях тока, когда высокий уровень инжекции реализуется только в пределах участков p-базы и я'-слоя, прилегаю­ щих к л-базе, тиристор можно представить в виде p-v-я' диода. Толщина v -базы этого диода равна суммарной толщине я-базы и участков p-базы и я'-слоя, в пределах которых реализуется высокий уровень инжекции. Значения электро­ физических параметров в пределах трех участков v -базы могут отличаться между собой. Коэффициенты инжекции эмиттерных переходов диода равны соответ­ ствующим коэффициентам передачи тока, составляющих п-р-п и р-п'-р-транзисто-

142

ров, толщины баз которых равны толщинам участков p-базы и л'-слоя, в преде­ лах которых сохраняется низкий уровень инжекции. При высоких плотностях тока, 'Когда высокий уровень инжекции полностью охватывает p-базу и л'-слой, тиристор можно представить в виде p+-v-n+ диода с v-базой, состоящей из трех участков с толщинами Wu W2 и W3 (рис. 7.1) и с отличными друг от друга значениями электрофизических параметров.

7.2. ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВЫКЛЮЧЕНИЯ АСИММЕТРИЧНОГО ТИРИСТОРА

Возможны два варианта соединения асимметричного тиристо­ ра и диода — последовательное и встречно-параллельное. Схема­ тически зависимости от времени тока и напряжения на тиристоре в процессе его выключения для этих вариантов изображены на рис. 7.3.

При последовательном соединении диод следует подбирать так, чтобы время его обратного восстановления было меньше вре­ мени обратного восстановления тиристора. В этом случае обрат­ ный ток ограничивается диодом и напряжение на тиристоре не достигает напряжения лавинного пробоя анодного перехода. Од­ нако низковольтный анодный переход тиристора, образованный сильнолегированными pi+- и «'-слоями (рис. 7.4), может восста­ навливаться быстрее, чем высоковольтный р-п переход диода. В этом случае обратное напряжение на тиристоре кратковремен­ но может достичь напряжения лавинного пробоя анодного пере­ хода. Это может привести (три большой разнице времен обрат­ ного восстановления указанных переходов) к заметному увеличе­ нию времени выключения тири­ стора. Последнее связано с тем, что при пробое анодного перехо­ да тиристора в его «-базу постав­ ляются электроны, что приводит к росту избыточного заряда не­ равновесных электронов и дырок в этой базе. Ниже при расчетах будем считать, что этот эффект не имеет места.

При встречно-параллельном соединении асимметричного тири­ стора и диода пунктиром на рис. 7.3,б показана зависимость от времени тока через диод. Напря­ жение на тиристоре при таком

Рис. 7.3. Зависимости от времени тока и напряжения на асимметричном тиристо­ ре в процессе его выключения при по­ следовательном (а, б) и встречно-парал- пельном (в, г) соединении диода

143

Рис. 7.4. Распределе­ ние избыточных кон­ центраций дырок и электронов в базах асимметричного тири­ стора при наличии участков низкого уровня инжекции в базе и в слое п'

соединении приборов ведет себя более сложным образом. На эта­ пе спада обратного тока через тиристор, когда резко возрастает ток через диод, из-за инерционности процесса модуляции прово­ димости базы импульсное напряжение на диоде может быть весь­ ма значительным. Это напряжение складывается с падением на­ пряжения на паразитной индуктивности проводов, соединяющих диод и тиристор. В результате на этом этапе обратное напряже­ ние на тиристоре также может кратковременно достичь напряже­ ния пробоя анодного перехода. Влияние этого эффекта на время выключения тиристора будем считать, как и выше, пренебрежимо малым..В период спада обратного тока через сборку (прямого то­ ка через диод) напряжение на паразитной индуктивности соеди­ нительных проводов меняет знак и вычитается из падения напря­ жения на диоде. Вследствие этого напряжение на тиристоре пе­ реходит через нуль рань!пе, чем ток. В этом смысле можно гово­ рить о двух определениях времени выключения асимметричного тиристора при встречно-лараллельном соединении диода, а именно

о"времени выключения по напряжению tqu и времени выключения по току tqi, причем tqi>tqu (см. рис. 7.3,6 и г).

Через некоторое время после изменения направления тока ди­ од восстанавливает свое обратное сопротивление. На тиристоре при этом возникает кратковременный, длящийся доли микросе­ кунды, импульс прямого напряжения, после чего напряжение в закрытом состоянии возрастает до амплитудного значения UD со скоростью du/dt, определяемой внешней схемой.

Этап спада тока в открытом состоянии. Все расчеты на.данном этапе аналогичны соответствующим расчетам для обычного тириг стора (см. § 6.2). Разница заключается только в замене, парамет­ ров pi-слоя обычного тиристора параметрами «'-слоя асимметрии? ного тиристора.

Э^ап обратного смещения. Поведение тиристора на этом этапе несколько отличается для случаев последовательного и встречно­ параллельного соединений диода.

^Положим, что диод соединен, встречно-параллельно. Этот слуг чай наиболее часто встречается на практике. В рассматриваемом

Ш

случае к тиристору прикладывается некоторое обратное напряже­ ние и можно говорить об обратном восстановлении анодного и. катодного переходов. Как и при анализе данного этапа процесса выключения обычного тиристора, предположим, что можно прене­ бречь длительностью этапов запаздывания обратного напряжения для переходов / i и /3 и что при t > t 0 с самого начала распределе­ ние избыточных носителей заряда имеет вид, изображенный на рис. 7.4.

Концентрация дырок p(Wlf t) в л'-слое при xi = Wi и концент­ рация электронов n(W3, t) в р2-базе при x3=W 3 не обязательно одновременно равны нулю. В общем случае обратносмещенным оказывается только тот эмиттерный переход, плотность обратно­ го тока через который меньше при нулевых значениях p{Wy, t) а n(Wз, /). Другой переход при этом слегка смещается в прямом, направлении, концентрация неосновных носителей заряда на гра­ нице с ним отличается от нуля, и плотности тока через оба пере­ хода выравниваются. В принципе при больших обратных напря­ жениях на тиристоре оба перехода могут оказаться обратносмещенными и концентрации p(W ь /) и ti[W3, t) станут равными нулю. Равенство плотностей обратного тока через оба перехода будет обеспечиваться при этом за счет лавинного пробоя одного или обоих переходов. Однако лавинный пробой анодного перехода нежелателен (может привести к увеличению времени выключения), и условия эксплуатации асимметричных тиристоров ограничива­ ются таким образом, чтобы исключить пробой этого перехода.

Анализ всех возможных вариантов приводит к громоздким вы­ ражениям, а учет перемещения границ раздела участков низкого и высокого уровней инжекции в л'- и /?2-слоях требует примене­ ния численных методов расчета.

Для приближенных расчетов предположим, что:

участки низких уровней инжекции охватывают слои л' и р2 практически по всей их толщине;

концентрации p(Wi, t) и n(\V3, t) одновременно равны нулю;

равна сумме плотностей тока рекомбинации в слое л' и обратно­ го тока через тиристор / в (*).

Плотность обратного тока через тиристор ограничивается тем эмиттернЬш переходом, который смещается в обратном направ-

лении и с учетом принятых допущений описывается выражением

j)lit т,.__коэффициент диффузии и время жизни неосновных носи­ телей заряда в t-м слое при низких уровнях инжекции.

<£oi* — катодный переход.

Сучетом принятых допущений и условий можно получить, что

зависимость Q2(t) описывается выражением вида (6.32), однако т'лг рассчитывается из соотношения

мерно эквивалентно влиянию рг-слоя на эту зависимость в обыч­ ном тиристоре. Объясняется это тем, что при прочих равных ус­

146

= to диод мгновенно восстанавливает свое обратное сопротивле­ ние и при t>to распределение избыточных носителей заряда в ба­ зе тиристора с самого начала также имеет вид, изображенный на рис. 7.4.

В зависимости от значения обратного тока диода могут иметь место различные случаи. Если обратный ток диода больше обрат­ ного тока тиристора, то для выравнивания их будет иметь место лавинный пробой эмиттерных переходов. Этот случай на практи­ ке недопустим, так как может привести к увеличению времени вы­ ключения тиристора. Если обратные токи диода и тиристора при­ мерно равны между собой, то, полагая справедливыми принятые выше допущения, снова получаем, что зависимость Qi{t) описы­

тока через тиристор, то его можно принять равным нулю. Процес­ сы в тиристоре в этом случае аналогичны процессам в разомкну­ той цепи. Опять полагая, что справедливы принятые выше допу­

сывание заряда Q2 на этапе обратного смещения тиристора толь­ ко в том случае, если справедливы (7.6) или (7.9). Для учета это­

следовательно, и на время выключения будет заметным только а том случае, если £0з*«^оз, и пренебрежимо мало, если *оз*<*оз- Этап нарастания анодного напряжения. Предположим, чтоданный этап начинается, а предыдущий заканчивается в момент времени *3 (см. рис. 7.3) независимо от способа соединения дио­ да. Другими словами, примем, что разность (f3 — *2) пренебрежи­ мо мала и tqu^ tqi= tq. Очевидно, что это вполне допустимо, если {tqi — tqu)<&tqu- На практике этого добиваются путем такого со­ единения диода и тиристора (рис. 7.5,а), что паразитная индук­ тивность проводов, соединяющих диод и тиристор, почти не влия­

ет на напряжение, прикладываемое к тиристору.

Предположим, кроме того, что влиянием кратковременного всплеска прямого напряжения в период спада обратного тока диода на время включения тиристора также можно пренебречь. Это оправдано тем, что быстрое нарастание напряжения сопро­ вождается таким же быстрым последующим его спадом. Избыточ­ ный заряд и его распределение в базах тиристора остаются при этом практически неизменными.

Рис. 7.5. Рекомендуемый (а) и нерекомендуемый (б) варианты встречно-параллельного соеди­ нения диода и асимметричного тиристора

Сведем, как и в [2.6], анализ процессов в тиристоре на данном этапе к формулировке критического условия его включения при определенных допущениях, начальных (для данного этапа) и гра­

ничных условиях.

В современных силовых тиристорах даже в случае технологи­ ческой шунтировки только катодного перехода наибольший вклад в критический заряд, при котором выполняется условие включе­ ния, вносят омические утечки и рекомбинация в эмиттерах. Ем­ кости эмиттерных переходов, которые на этапе нарастания анод­ ного напряжения смещаются в прямом направлении, пренебрежи­ мо мало влияют на критический заряд включения тиристора.

Анодное напряжение UD, прикладываемое к тиристору на рас­ сматриваемом этапе его выключения, обычно не превышает даже половины напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода. Поэтому лавинным умножением электронов и дырок в области пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода можно пренебречь. Собственный ток обратносмещенного коллекторного перехода на данном этапе также пренебрежимо мал по сравнению с током, обусловленным разделением зарядов избыточных элект­ ронов и дырок при формировании ОПЗ этого перехода.

Толщины электронейтральных участков р-базы, «i-базы и п!- слоя при напряжении на коллекторном переходе, равном Up, обозначим соответственно W2*t W2* и W1*, причем W\*=W\, если ОПЗ коллекторного перехода не охватывает всю толщину базы ль и W2*=0 в противном случае.

Уровни инжекции в базе р2 и слое п' на этапе нарастания на­ пряжения можно принять низкими, а в базе п\ (если ОПЗ коллек­ торного перехода не охватывает ее по всей толщине при напря­ жении Up) уровень инжекции может быть низким или высоким.

Предполагается также, что справедлива одномерная модель тиристора. Сопротивления дискретной технологической шунти­ ровки единицы площади анодного (если она зашунтирована) и катодного переходов заменяются удельными эквивалентными со­ противлениями омических утечек Rjx и #,-а (Ом-см8).

Суммарные плотности Jm и JR3 токов омических утечек и ре­ комбинации в анодном переходе j\ и катодном переходе /3, нели­ нейно зависящие от концентраций дырок в п'-слое рэ1 и электро­ нов в р2-базе Лэз на границах с этими переходами, аппроксими­ руются функциями вида

148

критические (соответствующие выполнению условия включения структуры) и текущие концентрации неосновных носителей заря­ да в базах на границах i-ro перехода соответственно.

Под р„ в (7.1) в рассматриваемом случае будем понимать произведение коэффициентов переноса дырок через электронейтральиую часть ni-базы |3„i и через n'-слой ря':

Предположим, что избыточным зарядом электронов в базе р2 и дырок в слое п' при t=tz (см. рис. 7.2) можно пренебречь. Тог­ да с учетом перемещения границы ОПЗ коллекторного перехода в базе п\ критическое условие включения асимметричного тири­ стора при t>U можно найти из решения системы нестационар­ ных уравнений непрерывности для неосновных носителей заряда

149

Рис. 7.6. К расчету процессов в асим­ метричном тири­ сторе на этапе на­ растания анодного» напряжения

ного «захватом» избыточного заряда дырок в базе п\ вследствие расширения ОПЗ коллекторного перехода:

где х2гр — координата границы ОПЗ коллекторного перехода в ба­ зе П\.

Условие (7.17) отражает равенство плотностей дырочных токов справа и слева от плоскости п'-п\ перехода в том случае, если ОПЗ коллекторного перехода при напряжении UD не охватывает всю толщину базы п\. Использование в этом случае условия Px(W\*, t ) = 0 не совсем корректно. Вместо него более корректно использовать условие равенства концентраций дырок слева и справа от плоскости п'-п4 перехода. Однако использование ус­ ловия Pi(Wi, t ) = 0 существенно упрощает задачу и представляется вполне оправданным. Условие piiW ?, t ) = О при t<.U (см. рис. 7.6) также не совсем корректно, однако оно также позволяет упростить задачу и представляется оправданным.

Критическое условие включения асимметричного тиристора, полученное из решения системы нестационарных уравнений не­ прерывности для неосновных носителей заряда во внутренних слоях структуры при произвольном распределении начального за­

150