Глава 7. Тиристоры

7.1. Общие сведения

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р n переходами, вольт амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р₁ n₁ р₂ n₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р n 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.

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

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n  или р типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n типа. 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⁺ n₁ p₂ n₂⁺.

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (N_s) в эмиттерах и базах тиристора

7.2. Вольт амперная характеристика тиристора

Вольт амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V_G, подаваемому на первый p₁ эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V_G 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 p n перехода.

П

ри достижении напряжения V_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока J, называемого током включения J_вкл, 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:

V_G – напряжение между анодом и катодом; I_у, V_у – минимальный удерживающий ток и напряжение; I_в, V_в – 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 р n р транзистора с n р n 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 I_э, коллектора I_к и статическим коэффициентом усиления по току α₁ р₁ n₁ р₂ транзистора и α₂ n₂ р₁ n₁ 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 I_К0 – 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 (p₁ n₁ p₂) и второго (n₂ p₂ n₁) транзисторов.

Выражение (7.5) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты М и α зависят от приложенного напряжения V_G. По мере роста α и М с ростом V_G, 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 U_перекл составляет у тиристоров от 20-50 В до 1000-2000 В, а ток переключения I_перекл – 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 p n 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 p n 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 n₂ эмиттера в р₂ базу, диффундируют к р n переходу коллектора П₃, проходят его и попадают в n₁ базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₁. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n₁ базы, образует отрицательный избыточный заряд.

Инжектированные дырки из эмиттера р₁ в базу n₁ диффундируют к р n 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 p n переходах и имеет величину порядка 1 2 вольт.

Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет вид, приведенный на рисунке 7.7, когда на всех p n 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 V_G 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 I_у, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, р n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р n 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 J_рек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока J_pD. Напомним, что эти процессы подробно рассматривались в разделе 4.3.2.

По мере роста прямого напряжения на p n переходе диффузионная компонента тока J_pD 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 I_э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p n перехода.

Рис. 7.8. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I_э при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ p n переходов

7.6. Зависимость коэффициента М от напряжения V_G. 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 p n 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 > Е_g, и вызывают генерацию новой электронно дырочной 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 U_М – 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 вольт амперной 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 M (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 U_перекл. 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 U_перекл. На рисунке 7.9 приведено семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.

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

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

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

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.

Рис. 7.10. Примеры характеристик кремниевых тринисторов КУ104

7.8. Феноменологическое описание ВАХ тринистора

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

,

. (7.7)

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

.

На рисунке 7.11 приведена схема тринистора, используемая для расчета вольт амперных 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 V_G.

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 I_у, то в результате рекомбинации и рассасывания избыточные заряды в базах уменьшатся, р n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р n переходах, уменьшатся инжекции из эмиттеров и тиристор перейдет в закрытое состояние.