Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

торе протекающим током1, падает на переходе П1• В зависимости ,

от размеров области п1 и напряжения на ней толщина обеднен­

ного слоя занимает либо часть, либо всю область п1• В послед­ нем случае происходит смыкание переходов П1 и П2• Ток на уча­

стке 0-4 БАХ определяется сопротивлениями обратносмещен- ..\

ных переходов П1 и П3• Допустимое падение напряжения на тиристоре ограничивается ударной ионизацией в переходе П1 и смыканием базы п1• Напряжение пробоя в тиристоре ниже на­ пряжения пробоя обратносмещенного изолированного эквива­ лентного р-п-перехода П1• Это обусловлено тем, что в тиристо­

ре переход П1 связан с соседним переходом П2 и образует тран­ зистор р1-п1-р2 с разомкнутой базой, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Напряжение пробоя (Ипроб) уменьшает­

ся из-за влияния этого транзистора (см. п. 4.3).

В режиме прямого запирания напряжение на аноде положи- · тельно по отношению к катоду, переходы П1 и П3 см.ещены в пр.я­ мом направлении, а переход П2 - в обратном. Падение напряже­

ния между анодом и катодом тиристора равно сумме падений на- .· пряжения на переходах, т. е. ИА = И1 + И2 + И3• Большая часть.,

приложенного напряжения падает на переходе П2 и лишь незна- '

чительная - на переходах П1 и П3• Для понимания характерис­

тик в рассматриваемом режиме воспользуемся двухтранзистор- .

ной моделью тиристора, в которой тиристор рассматривается как ' соединение р-п-р- и п-р-п-транзисторов. :Коллектор каждо- •

го из этих транзисторов соединен с базой другого (рис. 5.2). Здесь .;

А

УЭ

_п...0_~1

Поскольку М = f(U) и а1, 2 = f 1, 2(И), то формулы (5.3) и (5.4)

описывают статическую БАХ тиристора при напряжениях на' 1

аноде, меньших или равных Ивкл· Коэффициенты а1 и а2 сильно , зависят от величины тока. На участке 0-1 БАХ (см. рис. 5.1, в), пока ток и напряжение анода невелики, (а1 + а2) < 1 и анодный ток определяется током I ко· С повышением напряжения на ано­

де возрастает прямое напряжение на эмиттерных переходах П1

иП3, что приводит к увеличению инжекции через эти переходы

иросту а1 и а2• Дырки, инжектированные из областирl' прохо- J•.··,·.

дят через переход П2 и повышают потенциал базы р2 за счет не- .

При И= Ив,ш выполняется соотношение (а1 + а2)--> 1. При ла­

винообразном нарастании анодного тока через переход П2 проте­ кает значительный ток, и его сопротивление резко падает. Напря­

жение источника питания перераспределяется таким образом, что

падение напряжения на резисторе в анодной цепи (см. рис. 5.1, а)

возрастает, а напряжение на аноде тиристора уменьшается в соот­

ветствии с соотношением ИА= Рл - IR. Тиристор переходит в ре­

жим, соответствующий участку 1-2 БАХ (см. рис. 5.1, в), кото­ рый в области точки 2 является неустойчивым. Переход из этого

режима в режим прямой проводимости (участок 2-3 БАХ) про­

исходит, как правило, скачком. На участке 2-3 БАХ переход П2

из-за неравновесного заряда, накопленного в базах, открывается и

переходит в режим насыщения. Б этом. режиме проводимость ти­

ристора велика, а падение напряжения на нем мало. Оно опреде­

ляется суммой падений напряжений на трех прямосмещенных

р-п-переходах Пl' П2, П3, падением напряжения на базах, р1-и п2-областях и выводах (см. рис. 5.1, а). Суммарное падение напря­

жения на включенном тиристоре составляет 1... 2 В.

Рассмотрим особенности включения тиристора при наличии

размножения носителей в переходе П2• Если предельные вели­

чины а1 и а2 малы, напряжение на переходе П2 может достиг­ нуть величины Ипроб· Б этом случае носители заряда, переме-

щающиеся через переход П2, приобретут энергию, достаточную для лавинного умножения. Дырки, рожденные в переходе, до­ бавляются к дыркам, инжектированным через переход П1, и пе­ ремещаются к переходу П3, электрическое поле которого явля­

ется ускоряющим для них. Электроны двигаются в противопо­

ложном направлении, т. е. к аноду. В результате рождения в

переходе П2 пар зарядов проводимость его увеличивается, а со­

противление падает, что приводит к уменьшению падения на­

пряжения И2 на нем и увеличению напряжения на переходах

П1 и П3• Это, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок и электронов из областей р1 и п2, т. е. размножение носителей в переходе П2 идет еще более интенсивно, и далее процесс повто­ ряется. Таким образом, число носителей, перемещающихся че­ рез прибор, лавинообразно увеличивается, коэффициенты а1 и

а2 растут, произведение М(а1 + а2) в (5.4) приближается к еди­

нице и происходит включение тиристора.

Для коэффициента умножения М в зависимости от при­

ложенного напряжения И и напряжения пробоя Ипроб перехода П2 можно воспользоваться эмпирическим соотношением вида

м = [1- (И/Рпроб)т]-1 , где принято и= ивкл• ТогдаМ(а1 + <Х2) =

= (а1 +а2)[1-(Ивкл1Ипроб)т]-1 =1. Напряжение включения Ивкл'

вычисленное из последнего выражения, определяется следую­

щей формулой:

(5.5)

где т - некоторое число, зависящее от параметров и устройст­

ва тиристора.

Из (5.5) видно, что Uвкл всегда меньше напряжения пробоя

перехода П2, что обусловлено наличием положительной обрат­

ной связи в тиристорной структуре. При а1 = 0,4, а2 = 0,15,

Ипроб = 66 В и т = 4 напряжение включения Ивкл = 45 В. ·

После того как тиристор включился, все три перехода сме­ щены в прямом направлении, т. е. оба эквивалентных транзис­ тора находятся в режиме насыщения. Участок 2-3 БАХ опре­ деляется свойствами трех последовательно соединенных и пря­

мосмещенных р-п-переходов.

Рассмотрим теперь механизм переключения триодного ти­

ристора при подаче прямого смещения на управляющий элект-

род УЭ1 (см. рис. 5.1, а), когда напряжение на переходе П2 мень­

ше Ипроб· Если в цепи управляющего электрода протекает ток

IY, будет происходить увеличение инжекц~и через переход П3,

рост а2 и т. д., т. е. при меньшем анодном напряжении ток ано­

да достигнет значения, при котором а1 + а2 ;;;.: 1, и тиристор

включается. Таким образом, тиристор представляет собой уп­

равляемый ключевой прибор (см. рис. 5.1, в).

При работе тиристора в цепях переменного тока и напряже­

ния необходимо учитывать динамические процессы. Рассмот­

рим особенности включения тиристора в режиме малых сигна­ лов. Будем считать, что переменный сигнал подается в цепь уп­

равляющего электрода.

Дифференцируя соотношение (5.3) и используя вместо ста­

тичесюtх коэффициентов а1 и а2 дифференциальные коэффици-

енты передачи тока 0.1 и 0.2 , в режиме малого сигнала (i1. = h21в, см. п. 4.4) получим следующее равенство:

(5.6)

Из этого выражения следует, что условие включения тиристо­ ра dJA/dly ~ оо выполняется, если сумма малосигнальных (диф-

ференциальных) коэффициентов а стремится к единице, т. е. &.1 +

+ <Х2 = 1. Коэффициенты <Х1 и <Х2 зависят от токов и напряжений на

переходах (см. п. 4.4), например, согласно выражению (4.23) &.2 =

Рис. 5.3

Подача положительного сигнала Иук на УЭ (рис. 5.3, а) будет вы­ зывать увеличение а2 за счет тока IY, так что сумма а1 + а2 - 1.

Наиболее простым способом увеличения дифференциального

равляющего электрода является шунтирование перехода П3 по­ средством добавочного резистора Rш (см. рис. 5.3, а). При ма­ лых напряжениях ИУ к ток I У в основном протекает через резис­

тивный шунт Rш, минуя базу, и статический коэффициент а2 уменьшается. По мере увеличения управляющего напряжения

ИУ к растет и доля тока, втекающего в базу VT2 , инжекция носи­

телей через переход П3 становится больше, ток I 1 увеличивает­ ся, и коэффициент а2 возрастает (см. рис. 5.3, б). Для транзис­ тора п2-р2-п1 при наличии шунта (см. рис. 5.3, а) коэффици­

ент передачи тока а2эф= a2I 1/(I1 + I ш>· Ток через переход П3-I1 ::::::

:::::: 10 ехр (Иук/<l'т), а через шунт Jш = ИукfRш. Если допустить, что а2 зависит от 11 согласно кривой 1 .на рис. 5.3, б, то зависи­ мость а2эФ от I 1 будет соответствовать кривой 2 (для Rш =

= 5 • 103 Ом). В результате а2эф увеличивается за счет одновре-

менного возрастания а2 и произведения I da2 ) , что и вызывает

1 ( dl

1

переключение тирист<;>ра. На практике шунт формируется за счет частичного перекрытия катодным контактом области р2 (рис. 5.3, в). Такой тиристор называется тиристором с занорочен­

ным катодом. Следовательно, включением тиристора можно уп­

равлять, изменяя напряжение Иук (ток Jy) (см. рис. 5.1, в).

.5.3. Переходные процессы и импульсные свойства тиристоров

Включение тиристоров осуществляется в основном либо с по­

мощью управляющего электрода (рис. 5.4, а), либо изменением анодного напряжения (рис. 5.4, б). Для триодных т:Иристоров

более распространен первый способ. Время включения tвкл

складывается из двух составляющих: времени задержки tзд и

времени нарастания tнр; tзд - это время, отсчитываемое от на­

чала действия управляющего импульса t 1 до момента, при кото- .

тем самым увеличивая инжекцию дырок из области р1• Дырки

из р1 пересекают широкую базу п1' переход П2, базу р2 и, дости­ гая перехода П3, будут увеличивать инжекцию электронов (рис. 5. 5, б). Это продолжается до тех пор, пока ток I А не достиг­

нет значения тока удержания JУд (см. рис. 5.1, в), после чего прибор включается. Поскольку этот процесс является цикличе­ ски нарастающим, инжекция носителей увеличивается с обоих эмиттеров, что в конечном счете приводит к образованию шнура высокопроводящей электронно-дырочной плазмы в небольшой области катода вблизи управляющего электрода (рис. 5.5, в). В этих условиях проводимость этой области растет, даже если выключить импульс тока в цепи -УЭ.

Время задержки определяется явлениями, происходящими

в течение первых двух стадий рассмотренных процессов (см.

рис. 5.5, а и б). Как показывает анализ процессов включения, в

начальной стадии, на этапе задержки, основную роль играет транзистор n 2 -p2 - n1 • Транзистор с широкой базойр1-п1-р2

при малых плотностях тока не вносит вклада в процесс включе­

ния до тех пор, пока анодный ток не достигает 10% его конечно­ го значения. В этих условиях время задержки с учетом переза­ рядки барьерной емкости катодного перехода вычисляется по

формуле

(5.7)

где т2 = w;2 /(2Dn) - время пролета электронов через базу р2 с

Iл

шириной WP2 , Dn - коэффициент диффузии электронов; К= Т ;

у '

С(И) - удельная барьерная емкость перехода П3 (см. рис. 5.1, а); ИУ, IY- напряжение и ток на управляющем электроде, ИУ =

=Иук·

Формула (5. 7) показывает, что время задержки уменьшается

с увеличением тока JY и уменьшением времени т2 более чувстви­ тельного (по сравнению с р1-п1-р2) транзистора n 2- p2- n1 при подаче на его базу импульса тока управления (см. рис. 5.2).

Второй член в (5. 7), как правило, играет значительно мень­

шую роль, чем первый. Если взять структуру, показанную на

рис. 5.1, а, которая является поперечным разрезом тиристора

на рис. 5.5, б, ТО при wp2""' 2 °10-3 см, Dii = 22 см2/с (Si), <Х2""' о,7;

Iл

I А= 10-3 А (см. рис. 5.3, б), К= Т = 20, то суммарное время за-

У .

держки, согласно (5. 7), составит tзд = 0,05 • 10-6 с.

Время нарастания tнр определяется как время, отсчитываемое с

момента, когда IA достигает значения О,lJАном и когда дальней­

ший рост I А обусловлен процессами формирования проводящего

шнура и началом его бокового распространения (см. рис. 5.5, б). Время включения tвкл = t3д + tнр• как показывает анализ, приближенно равно среднему геометрическому времени диффу­

зии в п1- ир2-областях или

время включения равно tвкл ""'0,9 мкс.

В мощных тиристорах эмиттеры р1 и п2 имеют большую пло­

щадь. Эмиттеры малых размеров используются только в быст­

родействующих приборах.

Как было показано, в течение времени tвкл начинает прово­

дить только небольшая область вблизи управляющего контак­

та. Для мощных тиристоров эта область высокой проводимости за счет диффузии и боковых электрических полей постепенно

распространяется вдоль катода с некоторой скоростью, и за вре­

мя tк (см. рис. 5.4, а) вся поверхность эмиттера п2 будет инжек­

тировать. электроны.

Если допустить, что анодный ток и напряжение при включе­

нии тиристора изменяются во времени в соответствии с некото­

рой функцией, то мгновенно рассеиваемая мощность в проводя­

щей части тиристора (см. рис. 5.4, а) может быть записана в

форме Р""' ИAf(t, r) dIA/dt, где ИА - стационарное напряжение

между анодом и катодом; f(t, r)-функция времени t и радиуса r управляющего электрода (УЭ). Повышение температуры (ЛТ) из-за рассеяния мощности Р в наиболее горячей точке равно

рсУд о