Вольтамперная характеристика тиристора

Предварительно рассмотрим ВАХ диодного тиристора-динистора. В неявном виде ВАХ динистора с учетом лавинного размножения в центральном коллекторе П₂ может быть представлена в виде (рисунок 8.4,а)

(8.6)

В закрытом состоянии U₂ >> U₁ + U₃ , поэтому U_а = U₂.

Подставив в (8.6) значение коэффициента лавинного размножения (5.122)

,

получим:

. (8.7)

Выражение (8.7) представляет собой ВАХ динистора в режиме отсечки (I_а < I_выкл). При условии, что α₁(I_а) и α₃(I_а) возрастают с ростом тока, выражение (8.7) является экстремальной функцией, максимум которой определяется условием .

Для упрощения возьмем производную по току от (8.6).

.

Используя свойство экстремума

,

получим условие регенеративного включения динистора:

, (8.8)

или .

Таким образом, условие переключения динистора из закрытого состояния в открытое обеспечивается достижением тока анода величины тока включения, при которой сумма дифференциальных коэффициентов передачи тока транзисторных секций с учетом размножения в центральном переходе достигает значения единицы. Выражение (8.8) позволяет определить ток включения при известных функциональных зависимостях α₁(I) и α₃(I). Зная I_вкл , из выражения (8.8) находим значение напряжения включения или напряжение прямого пробоя динистора.

. (8.9)

В случае зашунтированного катода, когда ток включения достигает больших величин, и коэффициент передачи анодной секции насыщается по току, ( , а ) напряжение включения динистора будет близким к напряжению лавинного пробоя центрального перехода (α₁₀ ≤ 0.3)

. (8.10)

Выражения (8.9), (8.10) относятся к структурам тиристоров с широкими базами, у которых не наблюдается эффекта смыкания базы областью пространственного заряда центрального перехода. В структурах с тонкими базами возможно переключение за счет инжекционного или токового пробоя транзисторных секций (5.125).

Ток удержания I_н , который характеризует минимальное значение тока анода в открытом состоянии может быть определен из условия выключения (U₂ = 0) (8.7):

(8.11)

В открытом состоянии напряжение на динисторе складывается из алгебраической суммы падений напряжения на переходах и омическом сопротивлении баз и контактов (8.6). На больших прямых токах падение напряжения на p-n-p-n структуре аналогично падению напряжения на p-i-n диоде с толщиной i-слоя, равной суммарной толщине двух баз динистора

. (8.12)

При больших уровнях инжекции ВАХ прямосмещенного p-n перехода контролируется падением напряжения ΔU_B(I) на модулированном сопротивлении базы, включая ток, ограниченный пространственным зарядом (5.63), (5.64) и омическим сопротивлением контактов. В большинстве случаев величина прямого падения напряжения не превышает для кремниевых динистров 1,2 В.

В обратном смещении анодный и катодный переходы смещены в обратном направлении, а центральный переход – в прямом. В этом случае напряжение блокируется анодным переходом, так как катодный переход либо зашунтирован, либо имеет малое напряжение пробоя. Поэтому обратный ток утечки будет аналогичен току I_CE0 p-n-p транзисторной секции в инверсном включении (7.51).

, (8.13)

где I₀₁ – ток генерации в объеме ОПЗ анодного перехода.

Максимальное обратное напряжение определяется лавинным пробоем анодного перехода

. (8.14)

У триодного тиристора или тринистора кроме катода и анода встраивается дополнительный управляющий электрод (рисунок 8.7).

а) б)

Рисунок 8.7 - Структура (а) и семейство ВАХ (б) тиристора

В отличие от динистора у тиристора изменяется напряжение включения в зависимости от тока управляющего электрода (рисунок 8.7, б). В прямом смещении управляющего p-n перехода ток управления эквивалентен внешнему базовому току катодной транзисторной секции. Этот ток вызывает приращение анодного тока

.

В результате условие переключения реализуется при меньших значениях U_вкл . При некотором I_y = I_спр (рисунок 8.7,б), ВАХ тиристора «теряет» участок отрицательного дифференциального сопротивления, так как избыточный заряд основных носителей из-за роста коэффициентов передачи тока транзистора, поставляемый током спрямления, реализует условие включения (открытое состояние) при нулевом обратном токе или нулевом смещении центрального p-n перехода. Зависимость U_вкл(I_y) является основной характеристикой управляемого тиристорного ключа.

Формально ВАХ тиристора аналогична ВАХ динистора с учетом тока управления

. (8.15)

Условие включения тиристора имеет вид:

.

Условие выключения тиристора имеет вид:

.

Напряжение включения уменьшается с ростом тока управления (рисунок 8.8)

, (8.16)

где коэффициент k ≈ 1/I_спр .

Как следует из (8.16), для повышения чувствительности к управляющему току необходимо реализовать структуру с большим коэффициентом передачи катодной транзисторной секции. В этой связи толщина р-базы тиристора всегда меньше толщины n-базы, обеспечивающей требуемое напряжение включения и обратное анодное напряжение (рисунок 8.7, а).

Статический ток спрямления определяется из условия выключения структуры (U₂ = 0, M = 1).

;

Из этого выражения следует:

.

С другой стороны, при токе выключения α₁ + α₃ = 1 , или α₃ = (1 – α₁) при I_a = I_выкл .

Таким образом,

. (8.17)

Рисунок 8.8 - Зависимость U_вкл от тока управления

а) б)

Рисунок 8.9 -Технологический шунт в катодном переходе (а)

и изменение зависимости α₃(I_a) (б)

Статический ток спрямления характеризует устойчивость тиристоров к самооткрыванию. Для повышения устойчивости к открывающим помехам необходимо увеличивать I_спр . С этой целью в катодный переход тиристора встраивается технологический шунт (рисунок 8.9, а), который представляет собой матрицу столбиков р-типа, закороченных металлизацией катода на n⁺-область. В зависимости от диаметра этих цилиндров и их количества будет изменяться и величина распределенного по площади сопротивления шунта. Включение шунта в катодный переход деформирует зависимость коэффициента передачи тока катодной транзисторной секции (рисунок 8.9,б). Условия включения и выключения в этом случае реализуются при значительно больших токах анода (рисунок 8.10). Подавление α₃ на малых токах повышает температурную стабильность прямого и обратного токов утечки, напряжения включения и устойчивости к эффектам и , которые будут рассмотрены ниже.

В обратном включении тиристора прямой ток управления увеличивает ток обратной утечки (рисунок 8.7,б). В этом случае наряду с внутренним током базы p-n-p транзистора I₀₁ присутствует ток коллектирования электронов, инжектированных катодным переходом:

.

Поэтому результирующий ток обратной утечки будет иметь вид:

. (8.18)

Таким образом, при эксплуатации тиристоров следует избегать режимов с прямым током управления и обратном анодном напряжении, так как это приводит к увеличению мощности потерь.

Рисунок 8.10 - Влияние сопротивления шунта на ВАХ тиристора