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 в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.