2 Характеристики и параметры силовых полупроводниковых приборов

2.1 Принцип действия тиристора

Основу переключателя в управляемого вентиля (тиристора) составляет четырехслойная PNPN-структура, схематическое изображение которой приведено на рисунке 2.1. По аналогии с транзистором средние слои структуры N₁ и Р₂ называются базовыми областями, а крайние слои Р₁ и N₂ - соответственно Р-эмиттером и N-эмиттером. У тиристоров N-эмиттер называется также катодом, а Р-эмиттер анодом. В отличие от переключателей у тиристоров кроме катодного и анодного выводов имеется дополнительный вывод от базовой области структуры, называемый управляющим электродом. Наличие управляющего электрода (УЭ), как это будет показано ниже, позволяет воздействовать на процесс переключения структуры в проводящее состояние и тем самым определяет существенные преимущества тиристоров перед переключателями.

Рассмотрим сначала механизм действия структуры переключателя или, что то же самое, действие структуры тиристора при разомкнутой цепи управляющего электрода. Для этого приложим к структуре внешнее напряжение в прямом направлении, которому соответствует подсоединение положительного полюса источника к области Р₁ а отрицательного − к области N₂. При такой полярности приложения напряжения переходы 1 и 3 смещаются в прямом, а центральный переход 2 − в обратном направлении.

Смещение перехода 2 в обратном направлении обусловливает низкую проводимость всей структуры. Поэтому участок вольт амперной характеристики, соответствующий непроводящему состоянию структуры в прямом направлении (участок 1 на рисунке 2.2), имеет тот же характер, что и характеристика диода в обратном направлении.

Однако при увеличении напряжения смещения до критической величины, называемой напряжением переключения U_(во), взаимодействие всех трех электронно-дырочных переходов обеспечивает переключение структуры в проводящее состояние.

Упрощенный анализ, раскрывающий условие переключения структуры в состояние высокой проводимости, можно провести, используя двухтранзисторную аналогию. Действительно, PNPN - структуру условно можно расчленить (см. рисунок 2.1) на два транзистора NPN и PNP с коэффициентами усиления, соответственно и . Используя эти коэффициенты, механизм протекания рекомбинационных токов в структуре можно представить следующим образом.

Положительное смещение крайних переходов 1 и 3 (см. рисунок 2.2) обусловливает инжекцию неосновных носителей заряда в базовые области.

Рисунок 2.1 − Четырехслойная структура со схематическим

изображением потоков дырок и электронов

Рисунок 2.2 −Вольт-амперная характеристика тиристора

При этом дырки, инжектированные в область N₁ транзистора P₁N₁P₂ частично рекомбинируют в ней, а частично перебрасываются переходом 2 в базовую область транзистора N₁P₂N₂.

Если обозначить дырочный ток из области Р₁ через I_р, то часть его, достигшая области Р₂, может быть выражена через коэффициент усиления как I_p· .

Тогда рекомбинационный дырочный ток базы N₁ будет равен (1-α₂)·I_p. Кроме того, часть дырок уходит из области N₁ за счет дырочной составляющей коллекторного тока I_кр. Аналогично можно представить распределение электронной составляющей тока в условном транзисторе N₁P₂N₂ через его коэффициент усиления. В результате уравнения баланса токов в центральных областях структуры примут вид

(2.1) (2.2)

Учитывая, что при диодном включении структуры а ток коллекторного перехода , из уравнения (2.1) или (2.2) получаем

,

откуда

. (2.3)

Из выражения (2.3) видно, что резкое увеличение тока через структуру, т.е. переключение ее в состояние высокой проводимости, происходит при достижении коэффициентами усиления α₁ и α₂ значений, при которых их сумма приближается к единице.

Отметим, что сами эти коэффициенты, являясь функцией тока через структуру, быстро возрастают лишь при значениях плотности тока, превышающих 10^-3…10^-2 А/см².Поэтому при напряжениях смещения, которым соответствуют меньшие плотности тока, значения коэффициентов малы и структура находится в устойчивом выключенном состоянии.

При увеличении внешнего напряжения до критиче­ского значения взаимное влияние коэффициентов усиления и плотности тока (что равносильно наличию внутренней положительной обратной связи) обеспечивает лавинное нарастание тока через структуру и как следствие − переключение ее в состояние высокой проводимости.

Физическая сущность этого явления заключается в том, что число основных носителей заряда, поступающих за единицу времени в базовые области через центральный переход, становится больше числа носителей, которое может прорекомбинировать в них.

В результате диффузионные процессы начинают преобладать над рекомбинационными и переход 2 смещается в противоположном, по отношению к внешнему напряжению, направлении. При этом сопротивление структуры резко уменьшается и ток, протекающий через нее, ограничивается только сопротивлением внешней цепи.

Из приведенного анализа механизма действия структуры ясно, что для обеспечения ее переключения необходимо каким-либо способом увеличить концентрацию неравновесных носителей заряда в базовых областях. Наряду с уже рассмотренным выше способом, это можно осуществить также нагреванием структуры или отдельных се участков, облучением светом, увеличением емкостного тока утечки центрального перехода, за счет резкого увеличения анодного напряжения, введением носителей с помощью управляющего электрода.

Имея в виду, что анодное напряжение должно быть приложено к структуре в любом случае, каждый из перечисленных способов можно использовать как дополнительно воздействующий фактор. Очевидно, что при одновременном применении двух способов воздействия на структуру напряжение, при котором происходит ее переключение, уменьшается.

Следовательно, изменяя интенсивность действия дополнительного источника зарядов, можно управлять напряжением переключения. На практике для этих целей используются в основном два способа: управление с помощью управляющего электрода (у тиристоров) и управление с помощью света (у фототиристоров). Для осуществления первого способа дополнительный электрод подсоединяется к одной из базовых областей, как это показано на рисунке 2.6.

Если приложить к нему положительное относительно катода напряжение, то увеличением тока основных носителей в базе условного триода N₁P₂N₂ можно произвольно воздействовать на его коэффициент α₁ и, следовательно, на переключение всей структуры.

В полученном ранее уравнении для тока через структуру (2.3) наличие управляющего тока отражается появлением дополнительного члена I_y·α₁ в числителе правой части:

При достаточно большом токе управления переключение структуры происходит при малом напряжении на аноде и участок 2 вольт-амперной характеристики исчезает (рисунок 2.2).

В случае приложения к структуре обратного напряжения центральный переход ее оказывается смещенным в прямом направлении, а два крайних перехода − в обратном. Ток через структуру при этом определяется свойствами наиболее высоковольтного анодного PN-перехода. Практически зависимость обратного тока от напряжения в этом случае в количественно и качественно совпадает с аналогичной зависимостью для неуправляемого вентиля.

На основе рассмотренного выше принципа взаимодействия электронно-дырочных переходов в многослойных структурах создан целый ряд отличающихся по свойствам полупроводниковых приборов.

В частности, на основе пятислойной структуры созданы такие приборы, как симметричный переключатель, симистор, обращенный тиристор. Первые два типа приборов в соответствии со своим названием обладают симметричными вольтамперными характеристиками, т. е. способны переключаться в проводящее состояние в обоих направлениях.