Тиристор. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Тиристор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из трёх p - n-переходов ,взаимодействие между к-рыми приводит к тому, что прибор может находиться в одном из двух устойчивых состояний: выключенном- с высоким сопротивлением и включённом - с низким. Полупроводниковая структура T. состоит из четырёх слоев чередующегося типа проводимости (п⁺рпр⁺ ; рис. 1), образующих три расположенных друг над другом p - n-перехода. Внутренний базовый р-слой обычно выполняется сильнолегированным (концентрация примеси N=10¹⁷-10¹⁸ см^-3) и тонким, чтобы обеспечить достаточно высокий (0,7-0,9) коэф. переноса b n⁺pn-транзистора (см. Транзистор биполярный ).Базовый n-слой выполняется относительно толстым и слаболегированным (N= 10¹³ - 10¹⁵ см^-3). При приложении внеш. напряжения указанной на рис. 1 полярности (прямое смешение) крайние переходы Э₁ и Э₂ (эмиттеры) смещены в проводящем, а центральный K₁ (коллектор) - в запорном направлениях; его область пространственного заряда (ОПЗ) расположена почти полностью в n-базе. Эмиттер Э₁ обычно имеет распределённые по всей площади шунтирующие каналы, выполненные в виде выходов р-слоя сквозь n⁺ -слой к ме-таллич. контакту. Процессы, определяющие возможность переключения, протекают след. образом. Электронно-ды-рочные пары, генерируемые, напр., теплом в ОПЗ, разделяются полем; дырки и электроны выбрасываются в р- и п-базы, соответственно понижают потенц. барьеры эмиттеров Э₁ и Э₂, что приводит к соответствующей инжекции неосновных носителей в базы. Эти носители диффундируют через базовые области, частично рекомбинируя с осн. носителями, а затем выбрасываются полем через ОПЗ в соответствующие базы уже в качестве осн. носителей, понижают барьеры Э₁ и Э₂ и т. д. Тиристор находится в устойчивом запертом состоянии до тех пор, пока количество носителей, поступающих в базовые слои, не превышает их потерь из-за рекомбинации и ухода в эмиттеры. С ростом приложенного напряжения растёт протекающий через n⁺рпр⁺-структуру ток из-за расширения ОПЗ и увеличения поля в ней, приводящих к увеличению тока утечки. Возрастание тока ведёт к относительному уменьшению потерь; это связано в основном с ростом инжекционной компоненты тока эмиттерных переходов и полевому ускорению переноса носителей через n-базу. Поэтому при определенном напряжении поступление носителей начинает превышать потери. Этот процесс вследствие положит. характера обратной связи нарастает лавинообразно и приводит к заполнению базовых областей электронно-дырочной плазмой большой плотности (см. Плазма твёрдых тел), смещение коллектора вследствие этого меняет знак, и прибор переходит во включённое состояние. Шунтирующие каналы в эмиттере Э₁, увеличивающие потери дырок в p-базе, позволяют поднять напряжение переключения вплоть до напряжения лавинного пробоя коллектора. Вольт-амперная характеристика (BAX), определяемая вышеописанными процессами, показана на рис. 2; она описывается выражением

где j_ко -ток утечки коллекторного перехода; a₁, a₂-коэф. усиления п⁺рп- и р⁺np-транзисторов, составляющих n⁺ pnp⁺ -структуру. Из (1) следует, что условием переключения (j_ко

0, т. е. U

0) приближённо можно считать (a₁ + a₂)

1. Переключение n⁺рпр⁺ -структуры можно осуществить не повышением напряжения, а, напр., импульсом света с энергией кванта, достаточной для генерации электронно-дырочных пар (фототиристор), или инжекцией электронов эмиттером Э₁ при пропускании импульса тока в цепи AB (рис. 1). В этом случае из-за большого тангенциального сопротивления p-базы инжектирует узкая область эмиттера вдоль границы с электродом управления В, Процесс включения происходит только в этой области, и из неё включённое состояние распространяется по всей площади прибора. На нач. стадии, пока плотность тока во включённой части высока, распространение включённого состояния определяется электрич. полем на границе включённой и невключённой областей, смещающим эмиттеры в проводящем направлении, а по мере уменьшения плотности тока определяющим механизмом становится диффузия плазмы из включённой области. Скорость этих процессов обычно лежит в пределах 0,1-0,005 мм^.мкс в зависимости от мгновенной плотности тока и конструкции прибора. BAX T. в установившемся включённом состоянии практически аналогична BAX р⁺nn⁺ -диода; распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях показано на рис. 3. Выключение T. обычно осуществляется путём кратковрем. изменения полярности внеш. напряжения. Ток при этом меняет направление и носители заряда из плазмы вытягиваются во внеш. цепь, обеспечивая протекание тока. Концентрация плазмы у эмиттерных переходов уменьшается как за счёт вытягивания неосновных носителей, так и за счёт рекомбинации. Из p-базы электроны уходят через n⁺-слой, а избыточные дырки инжектируются коллектором К в n-базу; низковольтный эмиттер Э₁ быстро восстанавливается и пробивается. Через переход Э₂ из n-базы уходят дырки, но избыточные электроны практически не могут уйти через потенц. барьер прямосмещённого коллектора. Поэтому протекающий через T. обратный ток почти не выносит заряд из n-базы: уход дырок через Э₂ сопровождается поступлением через коллектор К почти такого же кол-ва дырок, создаваемых ударной ионизацией в переходе Э₁, и заряд в n-базе исчезает практически только вследствие рекомбинации. После того как концентрация дырок у перехода Э₂ уменьшается до равновесного значения, начинается образование ОПЗ, граница к-рой быстро перемещается в глубь n-базы, сопротивление прибора резко возрастает, а ток в цепи падает. В квазинейтральной части n-базы при этом нек-poe время сохраняется довольно большое кол-во избыточных носителей заряда. При изменении полярности внеш. напряжения на прямое эти носители выбрасываются полем коллектора в базы, вызывая всплеск прямого тока; однако если этот ток меньше нек-рой критич. величины j_кр, приводящей к лавинообразному нарастанию концентрации, T. остаётся в выключенном состоянии. Промежуток времени между изменением направления тока через T. до момента, когда становится возможным приложение прямого смещения, наз. временем выключения t_q. Оценочно, t_q

т_rln(j_пр/ j_кр), где т_p - время жизни дырок в n-базе. Отсюда следует, что статич. и динамич. характеристики T. жёстко взаимосвязаны. Для того чтобы обеспечить блокирование большого напряжения, n-база должна быть слаболегированной и иметь толщину, превышающую размер ОПЗ коллектора примерно на L_p= (D_pt_p)^1/2. Увеличение толщины ведёт к увеличению напряжения на приборе во включённом состоянии. Для того чтобы оно оставалось на приемлемом уровне, необходимо увеличивать L_p, что ведёт к увеличению t_q, т. е. к ухудшению частотных характеристик прибора. Поэтому быстродействующие T. имеют сравнительно невысокое рабочее напряжение, а высоковольтные - большое время выключения.

Рис. 1. Четырёхслойная р⁺прп ⁺ -структура тиристора: АС-основная цепь; AB-цепь управления; 1 - шунтирующие каналы; 2 - ОПЗ коллектора.

Рис. 2. BAX тиристора: а - при прямом смещении; б -при обратном смещении.

Рис. 3. Распределение электронно-дырочной плазмы в базовых слоях включённого тиристора (+ на р⁺-слое). Штрихпунктирными линиями показаны три последовательные стадии рассасывания плазмы при выключении тиристора (- на р⁺ -слое).

Основным полупроводниковым материалом для изготовления T. является кремний. Четырёхслойная п⁺рпр⁺ -структура изготавливается, как правило, путём последовательных операций термодиффузии примесей р- и n-типа в пластину монокристаллич. кремния, причём для получения эмиттерного n⁺-слоя сложной геом. формы применяются маскирование окислом и фотолитография.

Диапазон рабочих параметров совр. T. чрезвычайно широк. T. в планарном исполнении, обычно интегрируемые с др. элементами схем, имеют рабочие токи 10^-2 - 10^-1A при напряжениях 10¹ -10²B; T. предельной мощности имеют рабочие токи 1

3^.10³A при напряжениях (3

6)·10³ В. Четырёхслойная n⁺pnp⁺ -структура и протекающие в ней физ. процессы лежат в основе целого ряда приборов тиристорного типа, сильно отличающихся от описанного выше обычного T. К ним относятся, в частности: а) симистор, состоящий из двух встречно-параллельно включённых n⁺pnp⁺ -структур с общим электродом управления, выполненных в одной полупроводниковой пластине. Симистор обычно используется в качестве ключа переменного тока; б) фототиристор - тиристор, переключение к-рого осуществляется импульсом света. В этом приборе цепь управления полностью изолирована от осн. цепи, что особенно удобно при работе на больших напряжениях; в) запираемый тиристор, выключение к-рого осуществляется не переменой полярности внеш. напряжения, а импульсом запирающего тока в цепи управления, что позволяет существенно упростить конструкцию аппаратуры. Предельные параметры совр. запираемых T. почти такие же, как и у обычных тиристоров; г) реверсивно включаемый динистор, включение к-рого осуществляется кратковрем. изменением полярности внеш. напряжения. Этот прибор, в отличие от всех др. приборов тиристорного типа, включается однородно и одновременно сразу по всей рабочей площади. Это позволяет переключать очень большие (10⁵-10⁶ А) импульсные токи, а также работать на высоких (до 10⁵ Гц) частотах при коммутации больших мощностей.

Перспективным материалом для приборов тиристорного типа является арсенид галлия. Из-за большей, чем у кремния, ширины запрещённой зоны он позволяет работать при большей температуре, блокировать большее напряжение при сравнительно тонкой ОПЗ и, следовательно, тонкой базе с малым т_p; это даёт возможность существенно улучшить быстродействие приборов.

Литература по тиристорам

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.