Процесс включения тиристора. Эффект di/dt. Открытое состояние тиристора.

Под включением тиристора понимают процесс перевода его из закрытого (непроводящего) состояния с низкой проводимостью в открытое (проводящее) состояние с высокой проводимостью при приложении к нему прямого напряжения.

Для рассматриваемых видов тиристоров применяют включение их по управляющему электроду. Схема подключения тиристора к внешним источникам напряжения в этом случае показана на рис. 1.11, а.

Пусть к основным выводам тиристора приложено прямое напряжение, меньшее, чем напряжение переключения его полупроводниковой структуры: (эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, а коллекторный переход смещен в обратном), и через структуру течет небольшой ток утечки.

Рис. 1.11. Схема подключения (а) и ВАХ (б) силового тиристора при различных токах управления

При подключении к управляющему выводу положительного полюса источника управляющего напряжения, как показано на рис. 1.11, а, через базовый слой , эмиттерный переход и эмиттерный слой будет протекать ток управления , т. е. в базу будут вноситься дырки (основные носители заряда этого слоя), а в эмиттер — -электроны (основные носители заряда этого слоя). Формула (1.7) при этом принимает вид [1.2]

Увеличение тока приводит к росту инжекции из обоих эмиттерных переходов, в результате чего происходит накопление зарядов в обоих базах тиристора. Когда накопленный заряд достигает некоторого критического значения , происходит переключение тиристора в открытое состояние.

Полное падение напряжения на полупроводниковой структуре тиристора во включенном состоянии UT равно алгебраической сумме падений напряжений на всех переходах плюс) падение напряжения на всех слоях р-n-р-n структуры. При этом оказывается, что, начиная с плотностей тока, больших 1 А/см2, в низкоомной n-базе тиристора реализуется высокий уровень инжекции, и значение падения напряжения на этой области, дающее существенный вклад в , начинает зависеть от плотности тока нелинейно (см. [1.6, § 3]). Для практических целей обычно используют линейную аппроксимацию типа (1.4) или степенную типа (1.5).

Типичные зависимости анодных тока и напряжения тиристора от времени в процессе включения (перевода из непроводящего прямого состояния в проводящее) тиристора приведены на рис. 1.12.

Переходный процесс включения тиристора складывается из трех основных этапов: задержки, нарастания тока (спада напряжения) и установления стационарного состояния.

Под задержкой понимают начальный этап процесса включения тиристора от момента подачи импульса тока управления (рис. 1.12, я) до момента соответствующего началу нарастания анодного тока и спада анодного напряжения. Время задержки включает время пролета носителей заряда через базовые слои полупроводниковой структуры тиристора и время накопления в ее базовых слоях заряда . За это время ток утечки структуры тиристора нарастает до тока переключения структуры (рис. ).

При больших амплитудах импульса тока управления и крутом его фронте с ростом тока управления время накопления стремится к нулю, а время задержки — к некоторому минимальному значению, определяемому временем пролета .

С ростом напряжения, приложенного к тиристору в прямом направлении, эффективные толщины базовых слоев его полупроводниковой структуры уменьшаются вследствие расширения слоя объемного заряда коллекторного перехода , что снижает время пролета носителей заряда и уменьшает время задержки включения тиристора.

Продолжительность этапа задержки определяет минимально необходимую длительность отпирающего тока управления тиристора.

Зависимость анодного тока тиристора от времени на интервале его нарастания при включении (рис.

1.12,б, интервал обычно имеет экспоненциальный характер.

Рис. 1.12. Типичные зависимости тока и напряжения в процессе включения тиристора

Одновременно с ростом анодного тока начинает уменьшаться напряжение на тиристоре (рис. 1.12, в), при этом следует иметь в виду, что включение тиристора происходит не одновременно по всей его площади, а лишь в ограниченной области вблизи управляющего электрода. Это приводит к тому, что анодный ток тиристора, нарастающий со скоростью, определяемой параметрами внешней электрической цепи, протекает не по всей площади структуры, а только по ее уже включившейся части. Плотность анодного тока тиристора, протекающего по уже включившейся площади его структуры, зависит как от скорости увеличения этой площади, так и от скорости нарастания анодного тока и, как правило, оказывается выше плотности тока в установившемся состоянии, когда структура включена полностью, а ток достиг допустимого значения. Повышенная плотность тока на начальной стадии процесса включения тиристора вызывает повышенный локальный перегрев первоначально включившейся области полупроводниковой структуры — это явление называют эффектом . Способность тиристора выдерживать определенную скорость нарастания анодного прямого тока при включении характеризуется величиной при определенных условиях включения.

Рис. 1.13. Модель, поясняющая процесс распространения включенного состояния тиристора

Эффект возникает благодаря тому, что сопротивление базовых слоев полупроводниковой структуры тиристора вдоль поверхности переходов достаточно велико и ток управления IG не может равномерно протекать по всей площади структуры, локализуясь вблизи границы контакта электрода управления с базовым слоем .

Тиристор с определенным диаметром полупроводниковой структуры можно представить состоящим из параллельно соединенных элементарных тиристоров со структурами меньшего диаметра (рис. 1.13). При подаче на управляющий электрод тиристора отпирающего напряжения оно будет приложено к некоторому числу элементарных тиристоров, примыкающих к управляющему электроду непосредственно, а ко всем остальным — через эквивалентные сопротивления , связывающие элементарные тиристоры. Следовательно, через управляющие электроды первой группы тиристоров в начальный момент будет проходить управляющий ток, больший, чем через все остальные. Это приведет к тому, что элементарные тиристоры, непосредственно примыкающие к управляющему электроду, раньше, чем все остальные, накопят заряд и включатся, после чего через них будет протекать весь анодный ток включающего тиристора.

Представленные на рис. 1.14 схемы [1.2] иллюстрируют процесс распространения анодного тока тиристора по всей площади его полупроводниковой структуры. На рис. 1.14, я показан тиристор в закрытом (непроводящем) состоянии при приложении прямого напряжения. На эквивалентной схеме этого рисунка переходы двух произвольных частей структуры тиристора изображены в виде диодов с отдельно показанными емкостями переходов. Соответствующие базовые слои соединены между собой через резисторы , отображающие сопротивление этих слоев структуры между двумя рассматриваемыми ее частями. Диоды, смещенные в прямом направлении, полностью заштрихованы.

При подаче управляющего (отпирающего) тока ближайшая к управляющему электроду часть структуры переключается в проводящее состояние и напряжение на ней между анодом и катодом начинает падать (рис. ).

Рис. 1.14. К вопросу о физической сущности эффекта di/dt

В частях структуры, удаленных от управляющего электрода, быстрое падение напряжения на включившейся части структуры приводит к тому, что заряд коллекторного перехода частично перераспределяется между эмиттерными переходами , вызывая уменьшение обратного смещения коллекторного перехода и изменение смещения эмиттерных переходов и с прямого на обратное. В итоге возникает разность потенциалов вдоль базовых слоев структуры, вызывающая разряды емкостей переходов и протекание токов в направлениях, указанных на рис. . Эти токи представляют собой продольные токи основных носителей заряда в базовых слоях полупроводниковой структуры тиристора, действие которых по отношению частей структуры, удаленных от места контакта управляющего электрода и базового слоя , аналогично действию соответствующих токов управления, подаваемых в данном случае одновременно в оба базовых слоя полупроводниковой структуры. По мере того как в очередных зонах базовых слоев структуры тиристора накапливается критический заряд , происходит включение очередной области структуры и анодный ток тиристора распространяется по ее площади. Реальная скорость распространения включенного состояния v полупроводниковой структуры тиристора зависит от плотности тока, геометрии прибора, от его электрофизических параметров и т. д. [1.9].

Зависимость v от j обычно описывают [1.9] логарифмической функцией или степенной

где — константы (причем обычно находится в диапазоне 2—6 [1.10]). Для грубых оценок длительности процесса распространения включенного состояния можно считать v константой, равной .

Важным фактором в процессе включения тиристора является то, что из-за возникновения в базовых слоях его полупроводниковой структуры токов основных носителей заряда после включения начальной области структуры у управляющего электрода включение оставшейся части структуры продолжается даже при условии, что импульс тока управления уже закончился.

Физическую сущность эффекта , выражающегося в повышенном нагреве первоначально включенной области структуры, можно пояснить следующим образом. До тех пор пока анодный ток нарастает существенно быстрее, чем площадь включенной области структуры, плотность анодного тока j во включенной части структуры, равная , может резко возрастать.

Кроме того, мощность P, рассеиваемая в процессе включения тиристора в его полупроводниковой структуре и равная произведению мгновенных значений анодных тока и напряжения, также имеет ярко выраженный максимум во времени (см. рис. 1.12, в). Совместное действие этих двух факторов и вызывает существенный локальный перегрев структуры в области, находящейся в этот момент во включенном состоянии.

При недопустимо высоких скоростях нарастания анодного тока тиристор в процессе включения может выйти из строя или из-за значительного перегрева первоначально включенной области структуры, приводящего к снижению электрического сопротивления в этой области и локализации всего анодного тока в ней, или из-за высокого градиента температур, возникающего на границе проводящей и непроводящей областей структуры и приводящего к возникновению механических напряжений и появлению микротрещин в кремнии. В первом случае возможен тепловой пробой или проплавление структуры (при однократном включении), во втором может быть постепенная деградация структуры (при многократном включении).

Ясно, что стойкость тиристора к эффекту повышается с ростом первоначально включаемой площади его структуры, что достигается специальным конструктивным исполнением электрода управления и увеличением скорости нарастания и амплитуды отпирающего тока.

Ограничение скорости нарастания прямого тока тиристора при его включении обеспечивается параметрами внешней электрической цепи, куда он подключен.

Современные высоковольтные тиристоры конструируют так, что они выдерживают скорость нарастания анодного тока от 50 до . Для специальных целей конструируются тиристоры, выдерживающие существенно большие значения (около ).

С точки зрения электротехники процесс включения тиристора есть переход его из состояния низкой проводимости (большого сопротивления: ) в состояние высокой проводимости (низкого сопротивления: . Из рис. видно, что между этими состояниями находится область, где дифференциальное сопротивление тиристора отрицательно. Из ВАХ вытекает, что напряжение на приборе является однозначной функцией тока, т. е. тиристор является прибором, управляемым током. Из общей теории отрицательных сопротивлений известно [1.12, 1.13], что такие приборы имеют индуктивный характер реактивности. В [1.13] показано, что эквивалентная схема замещения прибора с положительной связью по току может быть в первом приближении представлена в виде последовательно соединенных сопротивления и индуктивности L, причем . В связи с тем что в современных мощных тиристорах основную часть падения напряжения в открытом состоянии составляет падение на толстой базе структуры, которое, в свою очередь, имеет также индуктивный характер реактивности [1.14], то эквивалентную схему тиристора в процессе включения можно представить в виде последовательно соединенных сопротивлений, изменяющих знак с отрицательного на положительный при переключении, и положительной индуктивности. Рассмотрим процесс включения тиристора на чисто омическую нагрузку R. Так как сопротивление прибора на участке отрицательного сопротивления весьма велико (время, в течение которого 0 пренебрежимо мало), то, используя соотношения получаем

где — напряжение источника ЭДС.

Формула (1.11) означает, что до момента ток при включении тиристора возрастает экспоненциально. В дальнейшем становится положительным и намного меньшим, чем R, вследствие чего

где , а значение индуктивности обозначено через , так как она не равна значению L на участке отрицательного сопротивления.

Формулы (1.11) и (1.12) в других обозначениях и полученные другим путем содержатся в [1.14]. В [1.8] показано, что при больших скоростях и высоком анодном напряжении (более 500 В) значение L можно определить по формуле

где . Если, к примеру, мкм и (значения, вполне реальные для высоковольтного тиристора), то расчет по (1.13) дает . Это означает, что при включении тиристора с напряжения, например, 1000 В даже в безындуктивном контуре скорость нарастания тока будет не выше , причем ограничивать ее будут физические процессы, протекающие в приборе.