Лекция 9 Тиристоры
реклама
1 ЛЕКЦИЯ 9. ТИРИСТОРЫ 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЧЕТЫРЕХСЛОЙНЫЕ ДИОДЫ ТИПА p-n-p-n Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Название тиристор произошло от термина тиратрон (газоразрядный прибор, широко использовавшийся в схемах автоматики и имеющий аналогичную вольтамперную характеристику) и термина транзистор. Тиристор, имеющий два вывода, называют диодным тиристором или динистором, триодный тиристор или тринистор имеет дополнительно третий управляющий электрод. Изготавливаются тиристоры из кремния. В К УЭ монокристалле кремния создаются четыре слоя с перемежающейся проводимостью p-n-p-n (рис. 1). n2 Тиристоры, выпускаемые на рабочее напряжение от p2 десятков до сотен вольт и на токи от десятков миллиампер n1 до нескольких ампер, относятся к группе маломощных p1 приборов. Тиристоры, получившие название управляемые вентили, с рабочим напряжением более 1000 В и током свыше 100 А относятся к группе мощных приборов. А Маломощные тиристоры применяются главным образом в релейных системах и маломощных коммутационных Рис. 1. Структура устройствах, а приборы, пропускающие большую тиристора мощность – в устройствах коммутации и управления промышленными и транспортными электроустановками. 2. ЗОННАЯ ДИАГРАММА ДИОДНОГО ТИРИСТОРА Структурная схема диодного тиристора приведена на рис. 2,а. Примерные значения концентраций носителей в четырех его слоях: p1 = 5х1017 см–3, n1 = 1015 см–3, p2 = 1017 см–3, n2 = 1019 см–3. Слои разделены тремя p-n переходами П1, П2 и П3. Слой p1 выполняет в динисторе функции анода А, а слой n2 – функции катода К. Они создаются путем диффузии в исходный монокристалл кремния n-проводимости (имеющий толщину порядка 250 мкм) сначала акцепторной примеси (алюминий, бор), образующей слои p1 и p2 (толщиной порядка 50 мкм), а затем донорной примеси (фосфор), образующей наружный слой n2 (толщиной порядка 10 мкм). Остаточная толщина слоя n1 исходного монокристалла равна примерно 150 мкм. При подаче на анод положительного напряжения крайние p-n-переходы (П1 и П3) смещены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний p-nпереход (П2) смещен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (p1 и n2 – эмиттеры) и две базовые области (n1 и p2 – базы). Зонная диаграмма динистора в состоянии термодинамического равновесия приведена на рис. 2,б. На рисунке показаны уровни энергии: Wc – дна зоны проводимости, WF – уровень Ферми и Wv – верха валентной зоны. Стрелками показаны направления электрических полей Eэ1, Eк, и Eэ2 в переходах П1, П2 и П3. Условно показаны концентрации электронов и дырок во всех четырех областях динистора. В состоянии термодинамического равновесия выполняется принцип детального равновесия: и электронные и дырочные компоненты тока через каждый из трех p-n-переходов равны нулю и общий ток также равен нулю. Рассмотрим процессы, происходящие в динисторе при подаче на него прямого напряжения, т. е. при положительном потенциале на аноде (рис. 2,в). В этом случае через 2 А П1 э1 p1 б1 n1 П2 б2 p2 П3 э2 n2 – + Eэ1 Wc Eк Eэ2 WF Wv а) б) Eп Wc К Eэ1 Eпк Eэ Eк Eот Eп 2 кр э2 э1 WF Wv + Uп – в) Еп Wc WF Wv Uп + – г) Рис. 2. Структура (a) и зонные диаграммы диодного тиристора в состоянии: б) термодинамического равновесия; в) закрытом состоянии; г) открытом состоянии динистор текут небольшие токи, на переходах возникают падения напряжения и создаются электрические поля Eпэ1, Eпк, и Eпэ2. Крайние эмиттерные переходы П1 и П3 открываются, а коллекторный переход П2 закрывается. Большая часть внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, так как он смещен в обратном направлении. Поэтому первый участок ОА прямой ветви ВАХ тиристора похож на обратную ветвь ВАХ выпрямительного диода (рис. 3). С увеличением анодного напряжения, приложенного между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах (рис. 2,в). Электроны, инжектированные из n2-эмиттера в p2базу, диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в n1-базу. Дальнейшему продвижению электронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n1-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера левого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из p1-эмиттера в n1базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем 3 коллекторного перехода и попадают в p2-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре M тиристора препятствует небольшой потенциальный H барьер правого эмиттерного перехода. Следовательно, в p2-базе происходит накопление G избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n2-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора Iвыкл B существует положительная обратная связь по току – A увеличение тока через один эмиттерный переход F N приводит к увеличению тока через другой 0 Uвыкл Е Uвкл Ua эмиттерный переход. Накопление неравновесных носителей в Рис. 3. Вольтамперная базовых областях создает дополнительную разность характеристика динистора потенциалов на коллекторном переходе, которая в отличие от внешней разности потенциалов стремится сместить коллекторный переход в прямом направлении (на рис. 2,в поле Eоткр направлено навстречу полям Eк и Eпк). Поэтому с увеличением тока через тиристор и, следовательно, с увеличением избыточных зарядов основных носителей заряда в базовых областях абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнет уменьшаться. Ток через тиристор при этом будет ограничен только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота потенциального барьера коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Зонная диаграмма динистора в открытом состоянии приведена на рис. 2, г. Здесь все три p-n-перехода открыты, внешнее напряжение падает в основном на высокоомных базовых областях n1 и p2, в которых сосредоточено поле Еп, а уровни энергии Wc, WF и Wv наклонены, и через динистор текут большие сквозные токи. Таким образом, тиристор при подаче на него прямого напряжения может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. Закрытое состояние тиристора соответствует участку прямой ветви ВАХ между нулевой точкой и точкой переключения А (рис. 3). Под точкой переключения понимают точку на ВАХ, в которой дифференциальное сопротивление равно нулю, а напряжение на тиристоре достигает максимального значения. В закрытом состоянии к тиристору может быть приложено большое напряжение, а ток при этом будет мал. Открытое состояние тиристора соответствует низковольтному и низкоомному участку прямой ветви В–С. Участок А–В является переходным и соответствует неустойчивому состоянию тиристора. В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах n1 и p2, необходимый для смещения коллекторного перехода П2 в прямом направлении (рис. 2,г). Если же ток тиристора уменьшить до некоторого значения, меньшего тока выключения Iвыкл, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшается количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторный переход окажется смещенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на выпрямляющих переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдет в закрытое состояние. I C 4 3. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ И ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИНИСТОРА На рис. 4 показано подключение динистора VD к источнику постоянного напряжения Е через нагрузочное сопротивление R. Включение динистора (перевод в открытое состояние) и выключение (перевод в закрытое состояние) достигается +E путем изменения величины или полярности напряжения питания. Прямая ветвь вольтамперной характеристики (Uа > 0), показанная R на рис. 3, имеет три участка: I 1. участок ОА, для которого характерно наличие малых токов при большом прямом напряжении; 2. участок АВ отрицательного дифференциального сопротивления U a dUa /dI < 0; VD 3. участок ВС, аналогичный прямой ветви вольтамперной Рис.4. Схема характеристики кремниевого диода. включения При увеличении напряжения питания Е от 0 до Uвкл ток в приборе динистора очень мал (точка пересечения F нагрузочной прямой с линией ОА вольтамперной характеристики). В момент, когда рабочая точка F достигает точки А на вольтамперной характеристике, ток в приборе быстро возрастает. Динистор переходит в открытое состояние. Рабочая точка перемещается по нагрузочной прямой в положение Н. Падение напряжения на динисторе мало, и практически все напряжение питания приложено к нагрузочному сопротивлению UR E. Теперь при уменьшении E рабочая точка G будет перемещаться по ветви ВС вольтамперной характеристики. Выключение динистора произойдет, если напряжение питания уменьшится практически до нуля E 0 или сменит знак E < 0. Мощность, рассеиваемая динистором в открытом и закрытом состояниях, является малой, так что прибор аналогичен переключающему устройству, срабатывающему, когда напряжение на нем достигает определенной величины Uвкл. Обратная ветвь вольтамперной характеристики динистора (рис. 3) аналогична обратной ветви вольтамперной характеристики кремниевого выпрямительного диода. 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ДИНИСТОРЕ Структуру p-n-p-n можно представить в виде двух соединенных транзисторов p-n-p и n-p-n типов (рис. 5,а и б) с коэффициентами передачи токов p и n. При таком П1 П2 I=Iэ1 Iэ1+Iк1 + – + – б1 к1 А э1 VT2 VT1 p n p2 1 1 + n1 p2 n2 К I=Iэ2 к2 б2 э2 Iэ2+Iк2 – + – + – а) б) П2 П3 Рис. 5. Представление динистора в виде соединения двух транзисторов сочленении транзисторов средний слой n1 выполняет одновременно роль базы первого транзистора и роль коллектора второго транзистора, а средний слой p2 выполняет роль базы второго транзистора и одновременно роль коллектора первого транзистора. Переходы П1 и П3 являются эмиттерными соответственно у первого и второго транзисторов. Центральный переход П2 является общим коллекторным переходом у обоих транзисторов. 5 При приложении к динистору внешнего напряжения указанной на рис. 4 полярности, высота потенциального барьера среднего перехода П2 резко возрастает, а высота потенциальных бартеров левого П1 и правого П3 переходов несколько снижается. Прямое смещение эмиттерного перехода П1 приводит к инжекции дырок в базу n1 (рис. 6), создающих эмиттерный ток Iэр. Диффундируя через слой n1, дырки частично + П1 + – П2 + – Iэpp Iэp – Iкn I А П3 + – Iэnn I Iкp К Iэn p2 n2 n1 Рис. 6. Схема движения носителей заряда и составляющие тока в слоях динистора рекомбинируют с электронами. Оставшаяся часть дырочного потока экстрагируется через коллекторный переход П2 в базу р2, образуя дырочную составляющую тока коллектора Iэрр. Повышение концентрации дырок в базе р2 приводит к понижению высоты потенциального барьера П3 и инжекции электронов из эмиттера n2 в базу р2, создающих эмиттерный ток Iэn. Электроны диффундируют через базу р2 и экстрагируются через коллекторный переход П2 в базу n1, образуя электронную составляющую тока коллектора Iэnn. Часть электронов, инжектированных эмиттером n2, рекомбинирует в базе р2. Условие электрической нейтральности требует, чтобы число дырок, вошедших в слой р2, было равно числу электронов, рекомбинировавших при движении через базу р2: (1) I эp p I эn 1 n . Отсюда электронный ток второго эмиттера I эn I эp p 1 n . (2) Аналогично из условия электрической нейтральности базы n1 можно написать: I эp I эn n 1 p . (3) Множители p и n представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n1 и p2 . Таким образом, каждый эмиттер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эмиттера. Этим создаются все необходимые предпосылки для лавинного процесса. Однако лавинный процесс роста тока начинается только при некотором достаточно большом напряжении Uа на структуре (рис. 4). Кроме зарядов, вносимых в каждую из баз динистора рекомбинационными и транзитными составляющими токов, в общем балансе зарядов в базах принимают также участие неосновные носители, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Потоки неосновных носителей образуют дырочную Iкp и электронную Iкn составляющие обратного тока коллекторного перехода. Сумма этих составляющих образует полный обратный ток коллекторного перехода: Iк = Iкp + Iкn. (4) При учете всех составляющих тока (рис. 6) баланс зарядов в базах n1 и р2 определяется следующими равенствами: Iэnn + Iкn = Iэр(1 – p) – Iкp. (5) Iэpp + Iкp = Iэn(1 – n) – Iкn. 6 При малых уровнях инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 инжектированные дырки и электроны практически все рекомбинируют в базах. Коэффициенты передачи дырочных и электронных токов через базы n1 и p2 много меньше единицы: p << 1 и n << 1. Через структуру протекает ток, приблизительно равный обратному току коллекторного перехода: (6) I I эp I эn I к 0 . Увеличение напряжения Uа, приложенного к структуре, вызывает расширение коллекторного перехода и соответственно уменьшение толщины базовых слоев n1 и p2. Следствием этого является рост транзитных составляющих дырочного Iэpp и электронного Iэnn токов через коллекторный переход, увеличение коэффициентов p и n. Зависимости коэффициентов p и n от тока I через динистор показаны на рис. 7,а. Более низкие значения коэффициента p по сравнению с n объясняются большей толщиной базы n1 по сравнению с базой p2 (в толстой базе число актов рекомбинации больше, чем в тонкой). I I max p n 1 C p + n А n Iвыкл p B Iвкл 0 Iвкл а) I 0 Uост A Uвкл Ua б) Рис. 7. Вольтамперная характеристика динистора: а) зависимость коэффициентов передачи тока от анодного тока динистора; б) вольтамперная характеристика динистора В силу непрерывности токов ток анода динистора I = Iэp = Iэn равен полному току через коллекторный переход: (7) I I эp p I эn n I к0 . I I к0 1 p n . (8) Соотношение (8) позволяет определить условие быстрого роста тока через структуру. При приближении тока через прибор к величине Iвкл (рис. 7,а) сумма коэффициентов (p + n) 1 и ток через прибор должен лавинообразно нарастать I , что для некоторой величины напряжения Uвкл равносильно условию равенства нулю дифференциального сопротивления: (9) dU dI 0 . Это значит, что в этой точке происходит изменение знака производной dUа /dI или переход от области положительного дифференциального сопротивления (участок ОА на вольтамперной характеристике рис. 7,б) к области отрицательных дифференциальных сопротивлений (участок АВ вольтамперной характеристики). Неограниченному росту тока препятствует резистор R, через который динистор подключен к источнику напряжения. Аналогично второй изгиб характеристики (точка В) при I = Iвыкл также характеризуется изменением знака дифференциального сопротивления dUа /dI (p + n = 1). С дальнейшим ростом тока сумма (p + n) будет превосходить единицу. В этом случае 7 переход П2 является глубоко насыщенным, падение напряжения на нем стремится к нулю и меняет знак. Характерными величинами, принятыми в качестве основных параметров динистора, являются: 1. Максимальное прямое напряжение на динисторе, называемое напряжением включения Uвкл и определяемое как напряжение, при котором dUа /dI = 0. 2. Ток включения Iвкл, определяемый как максимальный прямой ток через динистор в закрытом состоянии при dUа /dI = 0. 3. Минимальное прямое напряжение на динистое в открытом состоянии, при котором dUа /dI = 0, называемое напряжением выключения Uвыкл. 4. Ток выключения Iвыкл, который характеризуется минимальным значением тока через динистор, находящийся в открытом состоянии. 5. Остаточное напряжение Uост, т. е. падение напряжения на динисторе в открытом состоянии при максимально допустимом токе через динистор Imax. 6. Ток утечки Iут, определяемый как ток через динистор в закрытом состоянии при напряжении, равном Uвкл /2. 7. Предельно допустимое обратное напряжение Uобр.доп. 8. Ток утечки в обратном направлении Iобр.ут, соответствующий предельно допустимому обратному напряжению. Так как полярность напряжения на переходе П2 при открытом динисторе противоположна полярности напряжений на переходах П1 и П3 (рис. 2,г), суммарное падение напряжения в динисторе (без учета падения напряжения в базах и эмиттерных слоях) примерно такое же, как в диоде, имеющем только один p-n-переход. В качестве максимального значения прямого тока динистора принимается Imax, который ограничен допустимыми потерями электрической мощности в приборе, преобразующейся в тепло. Это тепло прибор должен рассеять при допустимой температуре нагрева кристалла полупроводника. 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИНИСТОРЕ По конструктивному выполнению тринисторы отличаются от динисторов тем, что первые имеют наружный вывод от тонкой базы p2, прилегающей к катоду (рис. 1), и общий вывод для катодной цепи и цепи управления. Схема включения тринистора и его условное обозначение показаны на рис. 8. К наружным выводам от слоев управления p2 и n2 присоединяется источник постоянного напряжения или тока (статическая система управления), или же, что чаще применяется, импульсный источник напряжения либо тока (импульсное управление). 8 R R +E +E A p1 Ia Iу n1 Iу а) б) p2 n2 Uу Uу VD K Рис. 8. Структура (а) и схема включения (б) тринистора Направления движений носителей заряда и соотношения токов в слоях тринистора показаны на рис. 9. Ток управления Iу, втекающий в базу p2, вводит в нее дырки (ток Iуp). + Ip П1 + – П2 + – Ipp П3 + – – Iкn Iа Inn А p1 n1 Iк=Iа + Iу К Iкp In p2 Iуn Iуp n2 Iу Рис. 9. Схема движения носителей заряда и составляющие тока в слоях тринистора Повышение концентрации дырок в базе p2 приводит к понижению потенциального барьера перехода П3 и увеличению инжекции электронов из эмиттера n2 в базу p2: (10) I n I n n I p p I у I p I у . p Следствием этого является увеличение 1 а) коэффициента передачи αn и транзитной составляющей электронного тока Inαn. Условие лавинообразного нарастания тока через тринистор (αp + αn ) → 1 (см. n 0 формулу 8) выполняется при меньшем токе анода Iа. Iа 1 Зависимость коэффициента αp от тока анода Iа показана на рис. 10,а. Ниже на рис. 10,б приведена б) зависимость αn от тока катода Iк = Iа + Iу, смещенная 0 влево на величину тока управления Iу относительно Iу Iу+Iв Iк=Iа+ кривой αp = f(Iа). На рис. 10,в построена зависимость (αp + p+ Iу кл αn ) = f(Iа). Из построения видно, что чем больше Iу, тем n 1 при меньших токах анода тиристора достигается равенство αp + αn = 1. в) В соответствии с уменьшением Iвкл имеет место 0 снижение напряжения включения Uвкл. Связь между Iвкл Iа напряжением включения Uвкл и током управления Iу Рис. 10. Зависимость показывает кривая, приведенная на рис. 11. На рис. 12 коэффициентов передачи показано семейство вольтамперных характеристик тока: а) p от анодного тока; тринистора для ряда величин тока управления 0 Iу Iспр. б) n от катодного тока; в) p+n от анодного тока 9 Чем больше ток управления, тем меньше напряжение включения. Величина тока управления, при котором на вольтамперной характеристике тринистора пропадает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и вольтамперная характеристика тринистора становится подобной вольтамперной характеристике диода, называется током спрямления 0 Iспр Iу Iспр. Рис. 11. Зависимость На семействе вольтамперных характеристик напряжения включения от тока (рис. 12) построена нагрузочная прямая MN, управления тринистора соответствующая напряжению питания E < Uвкл0. При Iу = 0 тринистор находится в закрытом состоянии. Для открытия тринистора необходимо подать на управляющий электрод ток управления (Iу2), при котором напряжение включения становится меньше напряжения питания Uвкл2 < E (точка А смещается влево от Iа нагрузочной прямой MN). C При импульсном Imax управлении на M управляющий электрод подают импульс тока, равного или превышающего ток спрямления Iу имп Iспр. Iспр > Iу3 > Iу2 > Iу1 > При этом тринистор Iу0 = 0 B переходит в открытое Iвыкл состояние независимо от величины напряжения Iвкл A питания Е. Для закрытия N тринистора необходимо Uвкл 0 Uвкл2 +Е Uвкл1 Uвкл0 Ua выключить источник 3 Рис. 12. Семейство вольтамперных характеристик питания или изменить его тринистора полярность на обратную. Основные параметры тиристора: 1. Максимальное прямое напряжение на тринисторе, называемое напряжением включения Uвкл0 и определяемое как напряжение, при котором dUа/dIа = 0. 2. Ток включения Iвкл, определяемый как максимальный прямой ток через тринистор в закрытом состоянии при dUа/dIа = 0. 3. Минимальное прямое напряжение на тринисторе в открытом состоянии, при котором dUа/dIа = 0, называемое напряжением выключения Uвыкл. 4. Ток выключения Iвыкл, который характеризуется минимальным значением тока через тринистор, находящийся в открытом состоянии. 5. Остаточное напряжение Uост, т. е. падение напряжения на тринисторе в открытом состоянии при максимально допустимом токе через тринистор Imax. 6. Ток утечки Iут, определяемый как ток через тринистор в закрытом состоянии при напряжении, равном Uвкл /2. 7. Предельно допустимое обратное напряжение Uобр.доп. 8. Ток утечки в обратном направлении Iобр.ут, соответствующий предельно допустимому обратному напряжению Uобр.доп. 9. Ток спрямления Iспр, определяемый как ток управляющего электрода, при котором исчезает участок ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Uвкл 10
