Тиристоры Докладчики: студенты группы Гардер Александр Стафеев Федор Лебедев Константин Начать просмотр

Карта презентации Общие сведения Зонная диаграмма динистора ВАХ динистора Зонные диаграммы и токи диодного тиристора в открытом состоянии Зависимость коэффициента пердачи α от тока эмиттера Зависимость коэффициента М от напряжения V G. Умножение в коллекторном переходе ТринисторВАХ тринистора

Общие сведения Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения. Структура тиристора показана на рисунке 1. Тиристор представляет собой четырехслойный р 1 -n 1 -р 2 -n 2 прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n перехода (П 1, П 2 и П 3 ). Обе внешние области называют эмиттерами (Э 1,Э 2 ), а внутренние области – базами (Б 1, Б 2 ) тиристора (рис. 1а). Переходы П 1 и П 2 называются эмиттерными, переход П 3 – коллекторный переход. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б 1, Б 2 ) тиристора, как показано на рисунке 1б. Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 3. В качестве исходного материала выбрана подложка n-типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р 1 и р 2. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n 2. Структура полученного тиристора имеет вид p 1 + -n 1 -p 2 -n 2 +.

Профиль концентрации легирующей примеси (N s ) в эмиттерах и базах тиристора

Зонная диаграмма динистора на различных участках ВАХ Вольт-амперная характеристика диодного тиристора приведенная на рисунке 4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V G, подаваемому на первый p 1 -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 П 2, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П 1 и П 2 включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При 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.

Вах динистора

Зонные диаграммы 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 n 2, p 2 тиристора. Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α 2 электроны, инжектированные из n 2 -эмиттера в р 2 - базу, диффундируют к р-n переходу коллектора П 3, проходят его и попадают в n 1 -базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П 1. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n 1 -базы, образует отрицательный избыточный заряд. Инжектированные дырки из эмиттера р 1 в базу n 1 диффундируют к р-n переходу коллектора П 3, проходят через него и попадают в базу р 2. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П 2. Следовательно, в базе р 2 происходит накопление избыточного положительного заряда. В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р 2 и отрицательного заряда в базе n 1 переход П 3 смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре. На рисунке 7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n 1 и р 2.

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 следующий вид, когда на всех p-n переходах прямое смещение, на П 1 и П 2 за счет внешнего напряжения, и на П 3 за счет объемных зарядов в базах Б 1 и Б 2. 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 Б 1 и Б 2 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.

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера 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. 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·χ. На рисунке 6 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов – рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке 8 – типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n перехода.

Зависимость коэффициента М от напряжения V G. Умножение в коллекторном переходе

Тринистор Как уже говорилось, чтобы перевести тиристор в открытое состояние, нео6ходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n 1 и положительный в базе р 2. Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П 1 и П 3 при увеличении напряжения на тиристоре до U перекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б 1 и Б 2 можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом (см. рис. 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 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.

ВАХ тринистора