74220

Тиристоры. Феноменологическое описание ВАХ динистора

Лекция

Физика

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более рn переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Русский

2014-12-30

1.78 MB

0 чел.

Лекция 10  Тиристоры

7.1. Общие сведения

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более рn переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р1n12n2 прибор, содержащий три последовательно соединенных рn перехода (П1, П2 и П3). Обе внешние области называют эмиттерами (Э1, Э2), а внутренние области – базами (Б1, Б2) тиристора (см. рис. 7.1а). Переходы П1 и П2 называются эмиттерными, переход П3 – коллекторный переход.

Рис. 7.1. Схема диодного тиристора:

а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

На рисунке 7.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б1, Б2) тиристора, как показано на рисунке 7.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров как правило являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рисунке 7.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рисунке 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n или ртипа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка nтипа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n2. Структура полученного тиристора имеет вид p1+n1p2n2+.

Рис. 7.2. Схема (а), приборная реализация (б) и характеристики (в) триодного тиристора [23]

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (Ns) в эмиттерах и базах тиристора7.2. Вольтамперная характеристика тиристора

Вольтамперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению VG, подаваемому на первый p1эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения VG падает на коллекторном переходе П2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П1 и П2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ pn перехода.

При достижении напряжения VG, называемого напряжением включения Uвкл, или тока J, называемого током включения Jвкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 7.4. ВАХ тиристора:

VG – напряжение между анодом и катодом; Iу, Vу – минимальный удерживающий ток и напряжение; Iв, Vв – ток и напряжение включения

7.3. Феноменологическое описание ВАХ динистора

Для объяснения ВАХ динистора используют двухтранзисторную модель. Из рисунка 7.5 следует, что тиристор можно рассматривать как соединение рn транзистора с nрn транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом П1, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом П2.

Рис. 7.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора

Взаимосвязь между токами эмиттера Iэ, коллектора Iк и статическим коэффициентом усиления по току α1 р1n12 транзистора и α2 n21n1 транзистора следующая. Представляя динистор как два транзистора, запишем следующие соотношения.

Пусть – ток через переход П1. Тогда часть тока , дошедшая до коллекторного перехода П3 , будет равна:

. (7.1)

Если  – ток через переход П2, аналогично:

. (7.2)

Учтем еще один фактор – лавинное умножение в переходе П3 через коэффициент лавинного умножения М. Тогда суммарный ток  через переход П3 будет равен:

, (7.3)

где IК0 – обратный ток перехода П3 (генерационный и тепловой).

В стационарном случае токи через переходы П1, П2, и П3 равны, тогда

, (7.4)

откуда

, (7.5)

где α = α1 + α2 – суммарный коэффициент передачи тока первого (p1n1p2) и второго (n2p2n1) транзисторов.

Выражение (7.5) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения VG. По мере роста α и М с ростом VG, когда значение М(α1 + α2) станет равно 1, из уравнения (7.5) следует, что ток I устремится к ∞. Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто».

Напряжение переключения Uперекл составляет у тиристоров от 20-50 В до 1000-2000 В, а ток переключения Iперекл – от долей микроампера до единиц миллиампера (в зависимости от площади).

Таким образом, в состоянии «закрыто» тиристор должен характеризоваться малыми значениями α и М, а в состоянии «открыто» – большими значениями коэффициентов α и М.

В закрытом состоянии (α – малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе П3 и ток тиристора – это ток обратно смещенного pn перехода. Энергетическая диаграмма тиристора в состоянии равновесия приведена ранее на рисунке 7.1, а в режиме прямого смещения («+» на слое р1) в закрытом состоянии представлена на рисунке 7.6.

Рис. 7.6. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии [5]

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении, а П2 – в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных pn переходов.

7.4. Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии

В открытом состоянии (α – велики) все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n2, p2 тиристора.

Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α2 электроны, инжектированные из n2эмиттера в р2базу, диффундируют к рn переходу коллектора П3, проходят его и попадают в n1базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n1базы, образует отрицательный избыточный заряд.

Инжектированные дырки из эмиттера р1 в базу n1 диффундируют к рn переходу коллектора П3, проходят через него и попадают в базу р2. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П2. Следовательно, в базе р2 происходит накопление избыточного положительного заряда.

В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р2 и отрицательного заряда в базе n1 переход П3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

На рисунке 7.7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n1 и р2.

Величина падения напряжения в прямом участке ВАХ составляет прямое напряжение на трех прямо смещенных pn переходах и имеет величину порядка 12 вольт.

Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет вид, приведенный на рисунке 7.7, когда на всех pn переходах прямое смещение, на П1 и П2 за счет внешнего напряжения, и на П3 за счет объемных зарядов в базах Б1 и Б2.

Рис. 7.7. Зонная диаграмма и токи тиристора в открытом состоянии (везде прямое смещение)

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление и большой ток, малое напряжение, малое сопротивление. Переход тиристора из «закрытого» в «открытое» состояние связан с накоплением объемного заряда в базах Б1 и Б2 из-за роста значения коэффициента передачи эмиттерного тока α и коэффициента умножения М.

То есть рост α, М с ростом тока J и напряжения VG в тиристоре является причиной перехода тиристора из состояния “закрытого” в состояние “открытого”.

В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток уменьшить до значения Iу, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, рn переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на рn переходах, уменьшатся коэффициенты передачи α и тиристор перейдет в закрытое состояние.

Таким образом, тиристор в области прямых смещений (прямое включение) является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током, и наоборот.

7.5. Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

Как уже отмечалось ранее, зависимость коэффициента передачи эмиттерного тока α от напряжения, приложенного к тиристору, является причиной переключения тиристора. Рассмотрим, какие физические механизмы могут обеспечить такую зависимость. В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода прямой ток такого перехода в области малых прямых смещений – рекомбинационный Jрек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока JpD. Напомним, что эти процессы подробно рассматривались в разделе 4.3.2.

По мере роста прямого напряжения на pn переходе диффузионная компонента тока JpD начинает превалировать над рекомбинационной. В терминах эффективности эмиттера  это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера, а следовательно, и увеличению коэффициента передач α = γ·κ. На рисунке 7.6 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов – рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке 7.8 – типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ pn перехода.

Рис. 7.8. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ pn переходов

7.6. Зависимость коэффициента М от напряжения VG. Умножение в коллекторном переходе

Другой физический механизм, приводящий к накоплению объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавинным умножением в коллекторном переходе. При больших значениях обратного напряжения на pn переходе величина электрического поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка набирают энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника qλE > Еg, и вызывают генерацию новой электроннодырочной пары. Это явление аналогично лавинному пробою в стабилитронах.

Если М – коэффициент ударной ионизации, определяемый как количество носителей, рожденных при лавинном умножении одной частицей, то М описывается эмпирической формулой:

, (7.6)

где UМ – напряжение лавинного пробоя, а значения коэффициента n для Ge, Si равно 3.

Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту коэффициента передачи и величине коллекторного тока.

Таким образом, возвращаясь к вольтамперной характеристике тиристора, приведенной на рисунке 4.2, можно отметить следующие особенности различных участков ВАХ в области прямых смещений. В состоянии «закрыто», по мере роста напряжения на тиристоре 1-2, в последнем растут коэффициенты передачи эмиттерного тока α или коэффициент умножения M в коллекторном переходе. В точке переключения 2 выполняется условие (α1 + α2) = 1, и начинается процесс накопления объемных зарядов в базах тиристора. Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением 2-3, не наблюдаемый на статических ВАХ, как раз связан с формированием этого объемного заряда в базах тиристора. Время накопления заряда и есть время переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто». Участок 3-4 характеризует открытое состояние тиристора. На этом участке все три p-n перехода смещены в прямом направлении и сопротивление тиристора мало и составляет десятки Ом.

7.7. Тринистор

Как уже говорилось, чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n1 и положительный в базе р2. Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 при увеличении напряжения на тиристоре до Uперекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б1 и Б2 можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом (см. рис. 7.1б).

На управляющий электрод базы подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении. Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению Uперекл. На рисунке 7.9 приведено семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.

При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока Iупр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным диффиренциальным сопротивлением и тринистор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления.

Рис. 7.9. ВАХ тринистора при различных значениях управляющего тока базы Iупр

Рис. 7.10. Примеры характеристик кремниевых тринисторов КУ104

Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение переключения и ток переключения.

На рисунке 7.10 приведены параметры, характеризующие различного сорта тиристоры в зависимости от выбора рабочей точки. Наиболее важные параметры – это время включения и выключения тиристора и управляющий ток.

7.8. Феноменологическое описание ВАХ тринистора

Аналогично как для динистора, запишем систему уравнений для тока тиристора через эмиттерный и коллекторный pn переходы, с учетом управляющего тока Iу через вторую базу

,

. (7.7)

Сумма всех токов, протекающих через переход П3, будет равна:

.

На рисунке 7.11 приведена схема тринистора, используемая для расчета вольтамперных характеристик в закрытом состоянии.

Рис. 7.11. Схема включения тринистора для расчета ВАХ

Сохраняя обозначение тока тиристора, как и ранее, через знак , запишем:

. (7.9)

При наличии лавинного умножения М в коллекторе П3 ток через коллекторный переход будет равен:

. (7.10)

Отсюда ВАХ тиристора на закрытом участке равна:

. (7.11)

Уравнение (7.11) описывает ВАХ тиристора в закрытом состоянии, поскольку коэффициенты М, α1 и α2 зависят от напряжения VG.

Аналогично динистору, в открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению.

Если же ток уменьшить до критического значения Iу, то в результате рекомбинации и рассасывания избыточные заряды в базах уменьшатся, рn переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на рn переходах, уменьшатся инжекции из эмиттеров и тиристор перейдет в закрытое состояние.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19820. Виключення загальні принципи виявлення та уникнення помилок та обробка виключних ситуацій 25 KB
  3.Виключення: загальні принципи виявлення та уникнення помилок та обробка виключних ситуацій. Виключення виникнення непередбачених помилкових умов наприклад розподіл на нуль неможливість виділення пам'яті при створенні нового об'єкта і т.д. Зазвичай ці умови завершу...
19821. Віртуальні методи. Абстрактні класи 17.72 KB
  Абстрактний клас в обєктноорієнтованому програмуванні базовий клас який не передбачає створення екземплярів. Абстрактні класи реалізують на практиці один з принципів ООП поліморфізм. Абстрактний клас може містити і не містити абстрактні методи і властивості...
19823. Ініціалізація та руйнування об’єкта (конструктори та деструктори) 25 KB
  Ініціалізація та руйнування об’єкта конструктори та деструктори. Як правило певну частину об'єкта перш ніж його можна буде використову вати необхідно ініціалізувати. Наприклад розглянемо клас myClass який було представлено вище у цьому підрозділі. Перш ніж об'єк
19824. Множинне успадкування (побудова класів, похідних від декількох багатьох базових) 18.97 KB
  Множинне спадкування концепція підтримувана частиною об'єктноорієнтованихмов програмування при якій класнащадок може мати більше одного суперкласубезпосереднього класубатька. Ця концепція є розширенням простого абоодиночного спадкування single inheritan...
19825. Обмеження доступу до компонентів об’єкта (використання специфікатора const) 27.5 KB
  Обмеження доступу до компонентів об’єкта використання специфікатора const Член класу може бути оголошений не тільки відкритим public або закритим private але і захищеним protected. Окрім цього базовий клас у цілому може ус падковуватися з використанням специфікатора до...
19826. Організація зовнішнього доступу до локальних компонентів класу (специфікатор friend) 23.5 KB
  Організація зовнішнього доступу до локальних компонентів класу специфікатор friend. Технологія об'єктноорієнтованого програмування дає змогу організувати до ступ до закритих членів класу функціями які не є його членами. Для цього дос татньо оголосити ці функції др...
19827. Параметризовані класи (templates) 25 KB
  1.Параметризовані класи templates. Параметризовані класи це класи що можуть оперувати узагальненими типами. Ці класи генеруються подібно узагальненим функціям в період компіляції. Призначення і особливість параметризованих класів схожа структура класу з різними тип...
19828. Повні імена компонентів класу. Вкладені класи. Статичні компоненти класу 22 KB
  Повні імена компонентів класу. Вкладені класи. Статичні компоненти класу. Об'єктноорієнтований під до розроблення програмних продуктів побудова ний на такому понятті як класи. Клас визначає новий тип даних який задає фор мат об'єкта. Клас містить як дані так і коди ...