Замятин В.Я. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры

Тиристоры

Общие сведения:
Тиристор – полупроводниковый при-бор с тремя p-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет два устойчивых состояния и участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и который используется для переключения.

Тиристор представляет собой четырехслойный р1-n1-р2-n2 прибор, содержащий три последовательно соединенных р-n перехода:
ЭП1 – первый эмиттерный переход;
КП – коллекторный переход;
ЭП2 – второй эмиттерный переход;
Обе внешние области называют эмиттерами (Э1,Э2), а внутренние области – базами (Б1, Б2) тиристора.
На рисунке также показаны зонная диаграмма тиристора при нулевом напряжении и зависимость напряженности электрического поля от координаты.

Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз тиристора. Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором (тринистором).

Приборная реализация тиристора, характеристики триодного тиристора КУ208 и схематическое обозначение триодного тиристора.

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

Тиристорный эффект.
Основное свойство тиристора – тиристорный эффект. Тиристорный эффект заключается в том, что система (обладающая им) имеет на ВАХ два участка с различным сопротивлением и может обратимо переключаться между ними.

На рисунке показана ВАХ тиристора. Прямое смещение соответствует положительному напряжению, подавае-мому на первый эмиттер тиристора.
Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивле-нием. В этом случае основная часть напряжения падает на коллекторном переходе, который смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы включены в прямом направле-нии. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n перехода.
При достижении напряжения, 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.

Дырки из первого эмиттера инжектируются в первую базу через первый эмиттерный переход, смещенный прямо. Коэффициент инжекции γ1. Затем они диффундируют до коллекторного перехода. Коэффициент переноса æ1. Дырки в первой базе являются неосновными носителями, они экстрагируются через обратно смещенный коллекторный переход во вторую базу. Коэффициент передачи Э1-Б2 равен α1= γ1æ1.
Электроны из второго эмиттера инжектируются во вторую базу через второй эмиттерный переход. Коэффициент инжекции γ2. Затем они диффундируют до коллекторного перехода. Коэффициент переноса æ2. Электроны во второй базе являются неосновными носителями, они экстрагируются во вторую базу. Коэффициент передачи Э2-Б1 равен α2= γ2æ2.
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 ЭП1, и как коллектор электронов, инжектируемых переходом ЭП2.
Пусть Iэп1 – ток через ЭП1. Тогда часть тока Iэп1, дошедшая до КП, будет равна Iэп1→кп=α1Iэп1
Аналогично Iэп2→кп=α2Iэп2
Пусть M – коэффициент лавин-ного умножения в КП, тогда суммарный ток через КП будет равен Iкп=M(α1Iэп1 +α2Iэп2+IK0), где IK0 – обратный ток КП (генерационный и тепловой).
В стационарном случае, токи через переходы равны, тогда I=M(α1I +α2I+IK0), 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, в открытом αM>1. Если αM=1, ток устремится к ∞. Это и есть условие переклю-чения тиристора из закрытого состояния в открытое.
Напряжение переключения Uперекл составляет у тиристоров от 20-50 В до 1000-2000 В, а ток переключения Iперекл – от долей микроампера до единиц милли-ампера (в зависимости от пло-щади).

В закрытом состоянии, эмиттерные переходы открыты, а коллекторный переход закрыт. Почти все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе, и ток тиристора – это ток обратносмешенного p-n перехода. На рисунке показано распределение объемных зарядов в переходах тиристора, зонная диаграмма и токи в закрытом состоянии, и зависимость напряженности электрического поля от координаты.
Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии:

В открытом состоянии коэффициенты α1 и α2 велики. То есть, почти все дырки попадают из Э1 в Б2, и почти все электроны попадают из Э2 в Б1. Дальнейшему прохождению дырок препятствует потенциальный барьер ЭП2, а дальнейшему прохождению электронов – потенциальный барьер ЭП1. Накапливается избыточный положительный заряд во второй базе, и избыточный отрицательный 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 уменьшается. На рисунке показаны распределение зарядов, зонная диаграмма и токи в открытом состоянии и зависимость напряженности 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 Iуд, 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, Jрек. Зависимость тока от нап-ряжения экспоненциальная, но показатель экс-поненты в два раза меньше, чем для диффу-зионного тока JpD:
Jрек ~ exp(βVG/2), JpD ~ exp(βVG)
Коэффициент передачи равен произведению коэффициента переноса на коэффициент ин-жекции, α=æ∙γ. При наличии рекомбинационной компоненты тока, коэффициент инжекции будет следующим:
По мере роста прямого напряжения на p-n переходе, диффузионная компонента JpD тока начинает превалировать рекомбинационной компонентой Jрек.
Если JD превалирует над Jрек, то как видно из формулы, γ возрастает. Следовательно, воз-растает и коэффициент передачи эмиттерного тока α=γ∙æ. Вот типичная зависимость α от суммарного тока эмиттера IЭ:
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 VG. 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 > Еg, 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 UМ – 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 VG растут коэффициенты передачи эмиттерного тока α и коэффициент умножения в коллекторном переходе M.
2: точка переключения, выполняется условие M(α1+α2)=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 Iупр течет в базу, то объемный положитель-ный заряд в ней накопится быстрей. Следовательно, напряжение переключения тиристора Vв 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) Iупр=0
b) (Iупр)b>0
c) (Iупр)c> (Iупр)b
При некотором критическом значении управляющего тока, ВАХ вообще вырождается в прямую.

Феноменологическое описание ВАХ тринистора.
Управляющий ток подан на вторую базу.
Пусть Iэп1 – ток через ЭП1. Тогда часть тока Iэп1, дошедшая до КП, будет равна Iэп1→кп=α1Iэп1=α1Iэ, где Iэ – ток первого эмиттера. Аналогично Iэп2→кп=α2Iэп2. Учтем, что по первому закону Кирхгофа Iэп2= Iэ+Iупр, как видно из рисунка.
Таким образом, получаем (Iэ+Iупр)α2+α1Iэ+IK0=Iэ. Пусть I=Iэ , 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 (Iэ+Iупр)Mα2+Mα1Iэ+MIK0=Iэ, 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 Э1, ти-ристорный эффект реали-зуется в p1-n1-p2-n2, а при отрицательном – в p2-n1-p1-n4.
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, 2005. 408 с.