Расчет и проектирование динистора

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 2

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТИРИСТОРАХ.. 3

1.1 Типы тиристоров. 3

1.2 Понятие о динисторах. 6

1.3 Вольтамперная характеристика динистора. 11

2 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ: ДИНИСТОРА.. 20

2.1 Некоторые параметры динистора. 20

2.2 Расчет параметров динистора. 21

2.3 Выбор полупроводникового материала. 23

2.4 Время жизни неосновных носителей заряда. 27

2.5 Проектирование структуры.. 29

2.5.1 р-база (Р2) 30

2.5.2 n-база (N1) 37

2.5.3 р-(Р1) и n-эмиттеры [N2] 39

ВЫВОДЫ.. 41

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 42

ВВЕДЕНИЕ

Широкое применение полупроводниковых приборов в радиоэлектронных устройствах требует разработки инженерных методов проектирования радиоэлектронных схем на этих приборах и систематизации накопленного в разработке аппаратуры опыта.

Тиристоры - полупроводниковые приборы с четырехслойной р-п-р-п структурой обладают такими свойствами, как быстродействие, достаточно большие рабочие напряжения и токи, мгновенная готовность к работе, высокий КПД, большой срок службы и др., которые обеспечили им широкое распространение в электронике, электротехнике, автоматике и в ряде других областей техники. По принципу действия полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой существенно отличаются от транзисторов и в электрических устройствах действуют как полупроводниковые ключи, которые открываются и закрываются при кратковременной подаче соответствующих сигналов. Эти полупроводниковые приборы обладают замечательным свойством «запоминать» заданное им внешним сигналом электрическое состояние.

Разработанный еще в конце 50-х годов мощный тиристор благодаря своим свойствам длительное время соответствует требованиям технического прогресса. Возможности тиристора как переключающего прибора в то время соответствовали номинальной мощности порядка нескольких сотен ватт, а современные тиристоры имеют мощность переключения порядка мегаватта. По мере совершенствования технологии производства монокристаллического кремния появились специальные, так называемые запираемые тиристоры, фототиристоры и сравнительно недавно разработанные управляемые полем тиристоры или тиристоры со статической индукцией [4].

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТИРИСТОРАХ

Тиристор, или кремниевый управляемый выпрямитель, является полупроводниковым прибором, который используется для преобразования электрического тока и напряжения. Тиристор представляет собой четырехслойную структуру с тремя выводами и пропускает ток между анодом и катодом, когда на его управляющий электрод подается сигнал управления. В отсутствие сигнала управления прибор может блокировать высокое напряжение при малом токе утечки. Первый тиристор, изготовленный в конце 50-х годов, в выключенном состоянии блокировал напряжение порядка сотен вольт, а в открытом состоянии проводил ток, равный нескольким амперам. В настоящее время разработаны тиристоры, блокирующие напряжение свыше 6000 В и проводящие ток более 3000 А (пределы тока и напряжения продолжают увеличиваться).

  1.1 Типы тиристоров

Существует несколько различных типов тиристоров, некоторые из них разработаны специально для конкретных применений. Большинство из них базируется на четырехслойной тиристорной структуре, но в то же время каждый тип имеет свои специфические особенности.

Базовые тиристоры, обладающие приблизительно равными прямой и обратной блокирующими способностями, подразделяются на два больших класса. Первый класс тиристоров используется в преобразователях для работы при низкой частоте и конструируется таким образом, чтобы обеспечить низкое падение напряжения в открытом состоянии. Однако это приводит к медленному выключению прибора. Второй класс - это тиристоры для инверторов или быстродействующие тиристоры. Они конструируются для работы на высоких частотах и характеризуются быстрым временем выключения. В основном такие тиристоры имеют значительно большие падения напряжения в открытом состоянии, чем класс преобразовательных приборов, описанный выше. В дополнение к базовому тиристору существует несколько специальных приборов, характеристики которых приведены в табл. 1.1 [15].

Таблица 1.1 - Специальные типы тиристоров

Тип тиристора	Особенности его конструкции	Основные, области применения
Фототиристор	Светочувствительный управляющий электрод	Постоянный ток высокого напряжения
Тиристор-диод	Объединение с встречно-параллельным диодом	Электрическая тяга и инверторы
Тиристор с комбинированным выключением	Одновременно принудительная коммутация и выключение по управляющему электроду	Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Запираемый тиристор	Выключение по управляющему электроду (принудительная коммутация не требуется)	Электрическая тяга и инверторы. Электропривод
Тиристор, проводящий в обратном направлении	p-n-p-n конструкция без обратной блокирующей способности	Высокочастотные инверторы и мощные источники питания
Диодный тиристор (динистор)	Управляющий электрод отсутствует, переключение за счет превышения напряжения переключения	Защита тиристоров от перенапряжения
Симистор	Комбинация двух встречно-параллельных тиристоров	Управление мощностью переменного тока, нагревом, освещенностью

У фототиристора отсутствует электрический контакт с управляющим электродом и спроектирован он таким образом, чтобы реагировать только на оптический сигнал. Обычно оптический сигнал очень слабый и, следовательно, прибор должен иметь высокий коэффициент усиления. Основной проблемой при конструировании фототиристора является достижение высокого коэффициента усиления при малой чувствительности к эффекту dv/di. В связи с появлением фототиристоров разработчикам оборудования постоянного тока высокого напряжения удается обеспечить высоковольтную изоляцию между тиристором и цепью управления: это требование выполняется при использовании волоконной оптики [16].

Тиристор, проводящий в обратном направлении, обычно объединяет в одном кристалле быстродействующие тиристор и диод. В преобразователях и импульсных схемах время выключения тиристора должно быть очень малым, чтобы обеспечить функционирование прибора на высокой частоте. Диод соединяется с тиристором для того, чтобы проводить обратный ток. К сожалению, наличие индуктивности у провода между диодом и тиристором может вызвать увеличение схемного времени выключения тиристора. За счет объединения диода и тиристора влияние этой индуктивности исключается и реализуется очень быстрое выключение прибора.

Тиристор с комбинированным выключением имеет электрод, который может быть смещен в обратном направлении в процессе выключения для того, чтобы способствовать удалению накопленного заряда из прибора.

В запираемом тиристоре отсутствует один из главных недостатков базового тиристора. Речь идет о том, что прибор может, как включаться, так и выключаться по управляющему электроду. Это достигается благодаря точной регулировке его коэффициентов усиления и применению распределенного управляющего электрода. Основными областями применения запираемого тиристора являются переключатели и преобразователи для электропривода и других промышленных устройств.

Тиристор, проводящий в обратном направлении, не обладает обратной блокирующей способностью, так как его n-база содержит дополнительный и слой, смежный с переходом Л. Это дает возможность использовать более тонкую n-базу, чем у основного тиристора, примерно на половину тоньше при той же самой блокирующей способности. Поскольку база более тонкая, естественно, уменьшаются потери в открытом состоянии и при коммутации, и происходит более быстрое выключение прибора. Отсутствие обратной блокирующей способности является несущественным моментом для многих областей применения, например в преобразователях, где используется встречно-параллельное соединение диода с тиристором [12].

Диодный тиристор не имеет управляющего электрода и переключается в проводящее состояние, когда приложенное прямое напряжение достигает определенного значения. Такие приборы используются для защиты тиристоров и других компонентов цепей от перенапряжения.

Симистор представляет собой соединение двух встречно-параллельных тиристоров с общим управляющим электродов. Включение такого прибора может происходить путем подачи сигнала управления на управляющий электрод, когда приложено либо положительное, либо отрицательное напряжение. Прибор используется для управления мощностью переменного тока, например, при регулировании яркости света. Симисторы охватывают средний уровень мощности, что обусловлено взаимным влиянием друг на друга составляющих тиристоров. Следует отметить, что при больших уровнях мощности устройства из двух дискретных тиристоров оказываются более эффективными, чем симисторы.

1.2 Понятие о динисторах

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

 а) б)

Рисунок 1.1 - Обозначения на схемах: а) динистора б) тринистора.

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n [8].

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя или более р-n-переходами, на вольт-амперной характеристике которого есть участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе тиристор может находиться в двух устойчивых состояниях – закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора высокое и он пропускает малый ток. В открытом состоянии сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток. Тиристор, имеющий два вывода, называется диодным тиристором или динистором. Структура динистора представлена на рис. 1.2,а. Динистор имеет три р-n-перехода (,,) и два вывода, называемые катодом (К) и анодом (А). Тиристор можно представить, используя штриховые линии разреза, в виде модели, состоящей из двух транзисторов ( и ) типа n-р-n и р-n-р и соединенных, как показано на рис. 1.2,б. Тогда переходы , являются эмиттерными переходами условных транзисторов, а переход  работает в обоих транзисторах как коллекторный переход [7].

Рисунок 1.2 - Структура динистора.

Двухтранзисторная модель диодного тиристора с условными обозначениями транзисторов  и  изображена на рис. 1.3. Эта модель позволяет свести рассмотрение тиристора к теории биполярных транзисторов с учетом связи, существующей в этой модели между транзисторами  и . Эта связь имеет принципиальное значение и заключается в следующем. Коллекторный ток транзистора  является базовым током транзистора  (=) и поэтому увеличивает коллекторный ток транзистора , рассматриваемого в схеме включения с ОЭ. В свою очередь, коллекторный ток  является базовым током транзистора (=) и увеличивает коллекторный ток этого транзистора . Так как = , то увеличение  приведет к росту  и т.д. Такой процесс принято называть положительной обратной связью. При выполнении некоторых условий эта связь может привести к недопустимо большому росту тока и разрушению прибора, если не принять меры по ограничению тока. Перейдем к составлению выражений для тока I в цепи тиристора [14].

 

Рисунок 1.3 - Двухтранзисторная модель диодного тиристора.

Полярность источника питания Е, показанная на рис. 1.2 и 1.3, соответствует так называемому прямому включению тиристора. В соответствии с транзисторной моделью тиристора ток в его внешней цепи можно представить как сумму коллекторных токов транзисторов  и .:

Если и  – интегральные коэффициенты передачи токов эмиттеров транзисторов  и , а  и  их обратные токи, то

(1.1)

Но в неразветвленной цепи == I, следовательно,

(1.2)

где

(1.3)

Полный ток в коллекторном переходе тиристора, как следует из (1.2),

(1.4)

Ранее предполагалось, что в коллекторном переходе нет лавинного умножения носителей. Если значение обратного напряжения на переходе таково, что следует учитывать лавинное умножение, то все слагаемые тока через коллекторный переход следует умножить на коэффициент лавинного умножения М, значение которого будем для упрощения считать одинаковым для дырок и электронов. Таким образом, вместо (1.1) запишем [13]

а вместо (1.4)

(1.5)

Рассмотрим зависимость величин, входящих в (1.5), от напряжения на тиристоре и токов через переходы. Известно, что М очень сильно зависит от напряжения на переходе U по мере приближения его к напряжению лавинного пробоя , но при U0,5 можно считать М = 1. В германиевых транзисторах обратный ток коллекторного перехода  является тепловым, его значение определяется концентрацией неосновных носителей в базовой и коллекторной областях. Однако тиристоры являются кремниевыми приборами, и поэтому тепловая составляющая тока оказывается незначительной по сравнению с током генерации  в обедненной области перехода (области объемного заряда). Вследствие этого можно считать . При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе ширина перехода возрастает и происходит рост числа генерируемых носителей, а следовательно, тока  и тока .

Коэффициенты передачи токов и  зависят от токов эмиттеров транзисторов  и  соответственно и от их коллекторных напряжений. Зависимость от коллекторного напряжения объясняется эффектом модуляции толщины базовой области (эффект Эрли). С ростом этого напряжения коэффициенты и  несколько увеличиваются. Однако в тиристоре основное влияние на их работу оказывает зависимость и  от эмиттерных токов транзисторов  и . При малых токах и  соответствующие коэффициенты много меньше единицы (<<1, <<1), но затем при увеличении и  могут существенно возрастать. Таким образом, можно учитывать лишь зависимость  от тока эмиттера. С учетом сказанного функциональные связи можно представить в виде [13]

(1.6)

При этом в знаменателе вместо и  подставлен равный им ток I.

Эта формула, учитывающая связи между транзисторами  и  модели, отражает наличие положительной обратной связи, о которой говорилось перед представлением формулы (1.5).

  1.3 Вольтамперная характеристика динистора

Для удобства изложения на рис. 1.4 сразу приведена характеристика динистора и указаны ее участки. Такую ВАХ называют S-образной. Для нее характерна неоднозначная зависимость тока от напряжения. Одному значению напряжения могут соответствовать два значения тока.

Рисунок 1.4 – Вольтамперная характеристика динистора

Для фиксации тока при измерениях любой точки ВАХ приходится включать во внешнюю цепь резистор  (см. рис. 1.2) и подбирать его сопротивление так, чтобы была только одна точка пересечения В нагрузочной прямой и ВАХ (рис. 1.5). Эта точка пересечения и будет определять ток I и напряжение U = Е – I, которое измеряется вольтметром, присоединенным к выводам А и K тиристора [15].

Участок I соответствует положительному напряжению на аноде А. Для снятия этого участка ВАХ внешнее сопротивление может быть равно нулю, так что напряжение на тиристоре равно напряжению источника питания U = Е и изменяется вместе с ним.

Рисунок 1.5 – Нагрузочная прямая с пересечением вольтамперной характеристики динистора

При таком включении переходы и  оказываются включенными в прямом направлении, а  – в обратном. Такое включение называют прямым включением тиристора. Напряжение анод – катод U есть сумма напряжений на переходах:

(1.7)

Большая часть этого напряжения падает на среднем переходе , включенном в обратном направлении, и потому имеющем большое сопротивление. Прямые напряжения  и  малые, так что можно приближенно при прямом включении считать U.

Для анализа участка I ВАХ могут быть использованы формулы (1.5) и (1.6), выведенные для рассматриваемого режима работы. Однако следует иметь в виду, что формулой (1.6) можно пользоваться, пока справедливо неравенство (+) < 1. При (+)1 ток по формуле безгранично увеличивается, что лишено физического смысла. В левой части участка I, соответствующего напряжению , которое много меньше напряжения лавинного пробоя  перехода, можно считать М1, а обратный ток перехода определяется в кремниевых тиристорах только генерацией пар носителей в самом переходе (). При малом токе в переходе , а, следовательно, и в эмиттерных переходах <<1, <<1 и (+)<<1, поэтому вместо (1.6) при М