Тиристоры Авторы: Романов Владимир Владимирович Серебрякова Таисия Семеновна гр

Общие сведения: Тиристор – полупроводниковый при- бор с тремя p-n переходами, вольт- амперная характеристика которого имеет два устойчивых состояния и участок с отрицательным дифферен- циальным сопротивлением, и кото- рый используется для переключения.

Тиристор представляет со- бой четырехслойный р 1 -n 1 - р 2 -n 2 прибор, содержащий три последовательно сое- диненных р-n перехода: ЭП 1 – первый эмиттерный переход; КП – коллекторный переход; ЭП 2 – второй эмиттерный переход; Обе внешние области назы- вают эмиттерами (Э 1,Э 2 ), а внутренние области – база- ми (Б 1, Б 2 ) тиристора. На рисунке также показаны зонная диаграмма тиристора при нулевом напряжении и зависимость напряженности электрического поля от координаты.

Управляющий электрод может быть подключен к лю- бой из баз тиристора. Прибор без управляющих элект- родов работает как двухполюсник и называется диод- ным тиристором (динистором). Прибор с управляю- щим электродом является трехполюсником и называ- ется триодным тиристором (тринистором).

Приборная реализация тиристора, характеристики три- одного тиристора КУ208 и схематическое обозначение триодного тиристора.

При создании тиристора в качестве исходного мате- риала выбирается подлож- ка n- или р-типа. Типичный профиль легирующей при- меси в диффузионно- сплавном приборе показан на рисунке. В качестве ис- ходного материала выбра- на подложка n-типа. Диф- фузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р 1 и р 2. На заключительной стадии пу- тем сплавления (или диф- фузии) с одной стороны подложки создают слой n 2. Структура полученного ти- ристора имеет вид p 1 + -n 1 - p 2 -n 2 +.

Тиристорный эффект. Основное свойство тиристора – тирис- торный эффект. Тиристорный эффект за- ключается в том, что система (обладаю- щая им) имеет на ВАХ два участка с раз- личным сопротивлением и может обрати- мо переключаться между ними.

На рисунке показана ВАХ тиристора. Прямое смещение соответствует по- ложительному напряжению, подавае- мому на первый эмиттер тиристора. Участок характеристики между точ- ками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивле- нием. В этом случае основная часть напряжения падает на коллекторном переходе, который смещен в обрат- ном направлении. Эмиттерные пере- ходы включены в прямом направле- нии. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода. При достижении напряжения, назы- ваемого напряжением включения U вкл, или тока J, называемого током вклю- чения J вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соот- ветствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точка- ми 2 и 3 находится переходный учас- ток характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Дырки из первого эмиттера инжектируются в первую базу через первый эмиттерный переход, смещенный прямо. Коэффициент инжекции γ 1. Затем они диффундируют до коллекторного перехода. Коэффициент переноса æ 1. Дырки в первой базе являются неосновными носителями, они экстрагируются через обратно смещенный коллекторный переход во вторую базу. Коэффициент передачи Э 1 -Б 2 равен α 1 = γ 1 æ 1. Электроны из второго эмиттера инжектируются во вторую базу через второй эмиттерный переход. Коэффициент инжекции γ 2. Затем они диффундируют до коллекторного перехода. Коэффициент переноса æ 2. Электроны во второй базе являются неосновными носителями, они экстрагируются во вторую базу. Коэффициент передачи Э 2 -Б 1 равен α 2 = γ 2 æ 2. Тиристорный эффект наблюдается, если коэффициенты передачи зависят либо от тока, либо от напряжения.

Тиристор можно рассматривать как соединение р n р транзисто- ра с n р n транзистором, причем коллектор каждого из них соеди- нен с базой другого. Централь- ный переход действует как кол- лектор дырок, инжектируемых переходом ЭП 1, и как коллектор электронов, инжектируемых пе- реходом ЭП 2. Пусть I эп1 – ток через ЭП 1. Тогда часть тока I эп1, дошедшая до КП, будет равна I эп1кп =α 1 I эп1 Аналогично I эп2кп =α 2 I эп2 Пусть M – коэффициент лавин- ного умножения в КП, тогда суммарный ток через КП будет равен I кп =M(α 1 I эп1 +α 2 I эп2 +I K0 ), где I K0 – обратный ток КП (генерационный и тепловой). В стационарном случае, токи через переходы равны, тогда I=M(α 1 I +α 2 I+I K0 ), откуда Коэффициент α зависит от приложенного напряжения, что необходимо для тиристорного эффекта. Коэффициенты α и M растут с ростом приложенного напряжения. В закрытом состоя- нии αM 1. Если αM=1, ток устремится к. Это и есть условие переклю- чения тиристора из закрытого состояния в открытое. Напряжение переключения U перекл составляет у тиристоров от В до В, а ток переключения I перекл – от долей микроампера до единиц милли- ампера (в зависимости от пло- щади).

В закрытом состоянии, эмит- терные переходы открыты, а коллекторный переход зак- рыт. Почти все приложенное напряжение падает на кол- лекторном переходе, и ток тиристора – это ток обратно- смешенного p-n перехода. На рисунке показано распреде- ление объемных зарядов в переходах тиристора, зонная диаграмма и токи в закрытом состоянии, и зависимость напряженности электрическо- го поля от координаты. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии:

В открытом состоянии коэффи- циенты α 1 и α 2 велики. То есть, почти все дырки попадают из Э 1 в Б 2, и почти все электроны попа- дают из Э 2 в Б 1. Дальнейшему прохождению дырок препятст- вует потенциальный барьер ЭП 2, а дальнейшему прохождению электронов – потенциальный барьер ЭП 1. Накапливается из- быточный положительный заряд во второй базе, и избыточный от- рицательный в первой. Заряды накапливаются до тех пор, пока их поле не сместит КП в прямом направлении. Таким образом, все три перехода будут смещены в прямом направлении (ЭП за счет внешнего напряжения, а КП за счет поля объемных зарядов в базах), ток резко увеличивается, а падение напряжения уменьша- ется. На рисунке показаны расп- ределение зарядов, зонная диаг- рамма и токи в открытом состоя- нии и зависимость напряженнос- ти поля от координаты. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в открытом состоянии:

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление и большой ток, малое напряжение, низкое сопротивление. Переход тиристора из закрытого состояния в открытое связан с накоплением объемного заряда в базах из-за роста коэффициента передачи эмиттерного тока. В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока поддерживаются избыточные заряды в базах, снижающие потенциальный барьер КП. Если уменьшить ток до значения I уд, то в результате рекомбинации избыточные заряды на базах уменьшатся, КП окажется включенным в обратном направлении, тиристор перей- дет в закрытое состояние. Время переключения из закрытого состояния в открытое – это время накопления объемных зарядов в базах тиристора.

Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера. В области малых токов основная причина зави- симости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбина- ционных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода, прямой ток тако- го перехода в области малых смещений – ре- комбинационный, J рек. Зависимость тока от нап- ряжения экспоненциальная, но показатель экс- поненты в два раза меньше, чем для диффу- зионного тока J pD : J рек ~ exp(βV G /2), J pD ~ exp(βV G ) Коэффициент передачи равен произведению коэффициента переноса на коэффициент ин- жекции, α=æγ. При наличии рекомбинационной компоненты тока, коэффициент инжекции будет следующим: По мере роста прямого напряжения на p-n переходе, диффузионная компонента J pD тока начинает превалировать рекомбинационной компонентой J рек. Если J D превалирует над J рек, то как видно из формулы, γ возрастает. Следовательно, воз- растает и коэффициент передачи эмиттерного тока α=γæ. Вот типичная зависимость α от суммарного тока эмиттера I Э : Таким образом, для реализации тиристорного эффекта в четырехслойных p n p n структурах необходимо введение рекомбинационных цент- ров в эмиттерные переходы тиристора с тем, чтобы обеспечить зависимость коэффициента инжекции γ, а следовательно, и коэффициента передачи α, от напряжения, приложенного к тиристору.

Зависимость коэффициента M от напряжения V G. Умножение в коллекторном переходе. Другой физический механизм, приводящий к накоплению объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавин- ным умножением в КП. При больших значениях обратно- го напряжения на p n переходе, величина электрическо- го поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к значению, соответствующему напряже- нию лавинного пробоя. В этом случае на длине свобод- ного пробега λ электрон или дырка набирают энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны полупро- водника qλE > Е g, и вызывают генерацию новой элект- ронно дырочной пары. Если М – коэффициент ударной ионизации, определяе- мый как количество носителей, рожденных при лавин- ном умножении одной частицей, то он описывается эм- пирической формулой: где U М – напряжение лавинного пробоя, а значения коэффициента n для Ge, Si равно 3. Формально можно сказать, что умножение в КП экви- валентно росту коэффициента передачи.

1-2: закрытое состояние. По мере роста V G растут коэффициенты передачи эмиттерного тока α и коэффициент умножения в коллекторном переходе M. 2: точка переключения, выполняется условие M(α 1 +α 2 )=1. 2-3: участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Идет накопление объемных зарядов в базах тиристора. 3-4: открытое состояние. КП смещен прямо, за счет поля зарядов, накопленных в базах.

Управление напряжением переключения. Тринисторы. Чтоб перевести тиристор в открытое состояние, необходимо нако- пить в его базах объемные заряды. Накоплением заряда в какой- либо базе можно управлять, если у неё имеется контакт, называе- мый управляющим электродом. Прибор с одним управляющим элек- тродом называется тринистором. На рисунке показан прибор с дву- мя управляющими электродами, на обоих базах. Первая база должна накопить отрицательный заряд, а вторая – по- ложительный. Если управляющий электрод присоединен ко второй базе, а управляющий ток I упр течет в базу, то объемный положитель- ный заряд в ней накопится быстрей. Следовательно, напряжение переключения тиристора V в уменьшается. Если же управляющий ток течет из базы, объемный положительный заряд накапливается дольше, напряжение переключения увеличивается. Аналогично, если управляющий электрод присоединен к первой базе, а управ- ляющий ток течет в базу, объемный отрицательный заряд будет на- капливаться дольше, напряжение переключения увеличивается. Если же ток течет из базы, объемный отрицательный заряд накап- ливается быстрей, напряжение переключения уменьшается.

Пусть управляющий электрод присоединен ко второй базе, а управляющий ток течет в базу. На рисунке показаны три ВАХ тринистора: a) I упр =0 b) (I упр ) b >0 c) (I упр ) c > (I упр ) b При некотором критическом значении управляющего тока, ВАХ вообще вырождается в прямую.

Феноменологическое описание ВАХ тринистора. Управляющий ток подан на вторую базу. Пусть I эп1 – ток через ЭП 1. Тогда часть тока I эп1, дошедшая до КП, будет равна I эп1кп =α 1 I эп1 =α 1 I э, где I э – ток первого эмиттера. Аналогично I эп2кп =α 2 I эп2. Учтем, что по первому закону Кирхгофа I эп2 = I э +I упр, как видно из рисунка. Таким образом, получаем (I э +I упр )α 2 +α 1 I э +I K0 =I э. Пусть I=I э, тогда выразим I: Это выражение для ВАХ тринистора в закрытом состоянии (при заданном управляющем токе) в неяв- ном виде (коэффициенты передачи зависят от при- ложенного напряжения). Если учесть лавинное умножение в коллекторном переходе, то получим (I э +I упр )Mα 2 +Mα 1 I э +MI K0 =I э, где M – коэффициент лавинного умножения. Отсюда Это выражение ВАХ тринистора в закрытом состоянии, при учете лавинного умножения в КП

Симметричные тринисторы (семисторы). Если включить параллельно p-n-p-n и n-p-n-p тирис- торы, их вольтамперная характеристика будет симмет- рична относительно осей напряжений и токов: Полупроводниковый прибор с симметрич- ной ВАХ, имеющей участок с отрицатель- ным дифференциальным сопротивлением и реализующий два бистабильных состоя- ния «закрыто» и «открыто» называется се- мистором. На самом деле, реализация семистора представляет собой пять чередующихся p и n областей. Если управ- ляющий электрод отсутствует, такой прибор называет- ся диаком, а если присутствует – триаком. Семисторы используются как ключевые элементы в цепях переменного напря- жения. При положитель- ном потенциале на Э 1, ти- ристорный эффект реали- зуется в p 1 -n 1 -p 2 -n 2, а при отрицательном – в p 2 -n 1 - p 1 -n 4. На рисунке показаны схема, вольтамперная характе- ристика и условное графическое обозначение триака.

Спасибо за внимание.

Литература Твердотельная электроника. Второе изда- ние, дополненное. // В. А. Гуртов. – М.: Техносфера, с.