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 М1 можно по правилам приближенных вычислений записать

(1.8)

Ток в цепи тиристора в этом случае определяется обратным током коллекторного перехода, т.е. генерационным током. С ростом напряжения U, т.е., коллекторный переход расширяется, его объем увеличивается и возрастает ток . Конечно, при этом одновременно возрастают и , но пока (+)<<1, это влияние можно практически не учитывать и считать, что .

Участок I с малыми токами соответствует состоянию тиристора «закрыто». При малых токах закрытого состояния, когда (+) < 1, положительная обратная связь в тиристоре относительно слабая и не вызывает неустойчивости; поэтому существует стационарный режим, характеризуемый формулой (1.8). В правой части участка I, если напряжение больше примерно половины напряжения лавинного пробоя, необходимо учитывать влияние на стационарный ток не только роста и , но и увеличение коэффициента умножения M(+)1 по сравнению с единицей. По мере приближения к напряжению лавинного пробоя (М1) роль положительной обратной связи возрастает и увеличивается скорость роста тока (производная dI/dU). Напряжением переключения называют значение, при котором дифференциальное сопротивление становится равным нулю. На рис. 1.4 это соответствует точке а - точке максимума функции U = f(I). Для нахождения дифференциального сопротивления перепишем (6.6) в более удобном для дифференцирования виде [5]:

 (1.9)

После дифференцирования и преобразования получим

(1.10)

Выражения в скобках в числителе являются дифференциальными коэффициентами передачи токов эмиттеров:

(1.11)

(1.12)

Кроме того, из-за сравнительно слабой зависимости обратного (генерационного) тока от напряжения можно пренебречь первым слагаемым в знаменателе. Тогда вместо (6.10) можно.написать

(1.13)

Знаменатель (1.13) хотя и изменяется, но остается конечным, поэтому условием существования тока переключения (а), для которого по определению dU/dI = 0, из (1.13) будет

(1.14)

Строго говоря, надо проверить функцию U = f(I) в точке а на экстремальность. Для максимума должно выполняться дополнительное требование, чтобы <0. Используя для нахождения второй производной (1.13), получаем дополнительное к (1.14) условие

(1.15)

Физический смысл условия (1.15) состоит в следующем. Если ток во внешней цепи, равный току через эмиттерные переходы, увеличивается по какой-то причине (например, из-за увеличения напряжения источника питания или уменьшения сопротивления нагрузки) на , то при выполнении условия M(+)=1 из-за транзисторного эффекта ток коллекторного перехода также возрастет на такую же величину . Так обеспечивается одинаковость нового значения тока в последовательной цепи р-n-переходов структуры при прежнем токе , т.е. при неизменном напряжении на коллекторном переходе , чему соответствует вертикальный участок ВАХ около точки а на рис. 1.4. Дополнительное условие (1.15) математически означает, что в точке переключения, если она является экстремальной, сумма дифференциальных (или малосигнальных) коэффициентов передачи должна возрастать при увеличении тока I. Но тогда из условия (1.14) следует, что значение М при прохождении через точку переключения должно уменьшиться. Физически последнее возможно только при уменьшении обратного напряжения на среднем переходе , а это означает, что ВАХ после точки переключения а должна пойти влево, создавая участок II ВАХ на рис. 1.4. Последнее и наблюдается экспериментально [13].

Участок II. Продолжающийся после переключения рост тока сопровождается дальнейшим увеличением и и их суммы так, что теперь вместо условия (1.14) следует писать неравенство M(+)>1. Это неравенство означает, что приращение тока в коллекторном переходе станет больше приращения токов в эмиттерных переходах и , т.е. приращения тока во внешней цепи тиристора, что приведет к неравенству токов на различных участках последовательной цепи. Однако в действительности равенство быстро восстанавливается. Объясняется это следующим. Дырки, инжектированные из эмиттера (р₂-область) проходят через «свою» базовую область и ускоряющим полем коллекторного перехода переносятся в «свою» коллекторную область, заряжая ее положительно. В результате такого нарушения электрической нейтральности областей происходит понижение потенциального барьера среднего перехода . Это можно трактовать как результат нейтрализации приходящими основными носителями противоположного по знаку заряда ионов в приграничных слоях перехода . При этом происходит уменьшение ширины перехода, которое сопровождается снижением тока генерации в переходе .

Понижение потенциального барьера обратно включенного р-n-перехода означает уменьшение напряжения на нем и сопровождается уменьшением коэффициента лавинного умножения, т.е. уменьшением тока через переход. Снижение , ширины перехода, тока и М прекратится, когда ток через средний переход станет равным току через эмиттерные переходы, т.е. когда установится в цепи стационарный ток, одинаковый во всех переходах. Рост тока при понижении напряжения на приборе после точки переключения означает появление отрицательной производной dI/dU, а следовательно, и отрицательного дифференциального сопротивления dU/dI. Однако экспериментальное наблюдение статической характеристики на участке с отрицательным сопротивлением возможно только при выполнении определенного условия, обеспечивающего устойчивую работу прибора, т.е. отсутствие самопроизвольного перехода из одного режима в другой, из одной точки ВАХ в другую [2].

Устойчивость обеспечивается, если сопротивление нагрузки настолько больше модуля отрицательного сопротивления, что нагрузочная прямая, проходящая через точку А на оси напряжений U=E через точку N на оси тока Е/Rн, пересекает участок в одной точке и не пересекает других участков ВАХ, как показано на рис. 1.5. Идеальным является использование генераторов тока (эталонов тока), в которых ток не зависит от напряжения и сопротивления нагрузки. В этом случае вместо нагрузочной прямой AN следует рисовать горизонтальные линии A'N', соответствующие различным устанавливаемым значениям тока с помощью генератора тока. Увеличивая этот ток, проследим весь участок с отрицательным сопротивлением, так как сможем измерить ток и напряжение U на тиристоре в любой точке этого участка.

Рисунок 1.7 - Зависимости суммы интегральных коэффициентов передачи от тока I.

На этом участке есть точка b, для которой ширина среднего перехода окажется равной равновесной ширине, соответствующей нулевому напряжению перехода =0. Будем считать, что в этой точке еще сохраняются транзисторные соотношения и можно применять уравнение (1.6). При =0 в переходе нет обратного тока (= 0), а М= 1. Поэтому из (1.6) можно написать условие для точки b 1-(+)=0 или += 1. Таким образом, состояние, когда =0, наступает при равенстве единице суммы интегральных коэффициентов передачи (в отличие от точки переключения а, для которой единице равна сумма дифференциальных коэффициентов передачи). На рис. 1.6 показаны зависимости этих сумм от тока I. Так как по определению в (1.11) и (1.12) дифференциальные коэффициенты больше интегральных, то точке переключения а соответствует ток переключения , меньший, чем ток при =0 в точке b.

Конечной точкой участка II ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением является точка с на рис. 1.4, точка минимума зависимости U = f(I), где dU/dI = 0. Ток, соответствующий этому условию, называют током удержания , точку с - точкой удержания, а напряжение на тиристоре - напряжением удержания . Остановимся на физических процессах, приводящих к появлению точки с. После прохождения точки b увеличение тока в цепи тиристора будет по-прежнему снижать высоту потенциального барьера среднего перехода и уменьшать его ширину по сравнению с состоянием равновесия этого перехода. Но теперь это означает появление на этом переходе прямого напряжения. Все три перехода оказываются включенными в прямом направлении, а суммарное напряжение на тиристоре уменьшается, так как напряжение на среднем переходе противоположно по знаку напряжению на эмиттерных переходах и . Точке удержания соответствует наименьшее напряжение на тиристоре: оно меньше суммы напряжений на эмиттерных переходах и . При прямом включении всех переходов составные транзисторы и на рис. 1.3 работают в режиме насыщения. Из коллекторных областей этих транзисторов идет встречная инжекция носителей в их базовые области. Формулы, приводимые ранее, теперь оказываются неприменимыми, и расчет тока в цепи тиристора усложняется и должен проводиться по уравнениям Эберса и Молла [3].

Аналитическая расшифровка условия границы участка II dU/dI=0 через параметры тиристора приводит к сложному выражению. Поэтому часто в первом приближении считают, что точки b и с на ВАХ (см. рис. 1.4) совпадают, т.е. для точки с приближенно выполняется условие (+) = 1.

Участок III характеризует изменение тока в тиристоре после точки удержания с. На этом участке все три перехода имеют прямое включение и тиристор можно рассматривать как три диода, включенные последовательно. ВАХ такой системы (участок III) должен быть более крутой, чем у обычного диода. Участок III с большими токами и малым напряжением соответствует состоянию тиристора «открыто».

Участок IV соответствует обратному включению тиристора (полярность источника питания на рис. 1.2 изменена на обратную). В этом случае все переходы имеют обратное включение и вся цепь эквивалентна последовательному включению трех диодов с обратным напряжением. Очевидно, что участок IV ВАХ будет походить на обратную ветвь ВАХ обычного диода, а при достаточно большом напряжении возможен пробой одного из переходов.

2. РАСЧТ ПАРАМЕТРОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ: ДИНИСТОРА

2.1 Некоторые параметры динистора

1. Напряжение включения (U_вкл) - это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние (от 10 до 2500В).;

2. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (U_пp = 0,5ч1В).Ток включения I_вкл;

3. Ток удержания - это анодный ток, при котором тиристор закрывается І_удерж;

4. Время отключения - это время, в течение которого закрывается тиристор I_откл.;

5. Максмально допустимая скорость наростания прямого напряжения (dU/dt)max;

6. Максмально допустимая скорость наростания прямого тока (dI/dt)max;

7. Время включения t_вкл;

8. Время задержки t_з;

9. Управляющий ток отпирания - это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» І _{у вип};

10. Управляющее напряжение отпирания - это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» U _{у вип}.

11. Обратный максимальный ток - это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности;

12. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.

2.2 Расчет параметров динистора

Для обеспечения высокого напряжения пробоя силовых тиристоров свыше 1000 В необходимо слои Р1 и Р2, которые формируют обратный и прямой блокирующие переходы J1 и J2 соответственно, создавать путем диффузии. Их ширина W_P1 = W_P2 +W_N2 изменяется в интервале от 30 до 140 мкм.

Существуют три легирующие акцепторные примеси, которые обычно используются для создания этих слоев: галлий, алюминий и бор. Бор применяется при локальной диффузии акцепторов, например, для создания охранных колец в пленарных структурах. К сожалению, бор является медленно диффундирующей примесью по сравнению с галлием и алюминием. Он также создает нарушения в кристаллической решетке кремния, в результате которых могут возникнуть большие тепловые токи утечки.

С другой стороны, как галлий, так и алюминий являются быстродиффундирующими элементами и не вносят структурных нарушений в кристаллическую решетку кремния, но в отличие от бора они не могут использоваться для создания рисунка по фотошаблону с применением двуокиси кремния в качестве маскирующего средства.

Распределение легирующих примесей в слоях, полученных диффузией, может быть описано следующими уравнениями. Если источник легирующей примеси является неограниченным, то распределение характеризуется функцией ошибок:

N(x,t) = N₀erfc()-N_B, (2.17)

а если источник диффузии является ограниченным, то оно описывается функцией Гаусса

N(x,t) = N₀exp()-N_B (2.18)

Здесь N(x, t) - концентрация примеси в некоторой точке х для времени диффузии t; N_o - поверхностная концентрация примеси; D - коэффициент диффузии; N_в - концентрация примеси в исходном материале.

Рисунок 2.4 - Коэффициенты диффузии для часто встречающихся примесей в кремнии.

Значения коэффициентов диффузии примесей, используемых в производстве высоковольтных силовых тиристоров, приведены на рис. 2.4. С их учетом рассчитываются распределения примесей при диффузионных процессах. Применяются также и компьютерные методы расчета. На рис. 2.5 показаны функция Гаусса и функция ошибок. [10]

Одним из наиболее критичных параметров при проектировании тиристора является поперечное сопротивление р-базы. Оно влияет как на ток управления, так и на стойкость тиристора к эффекту dv/dt.

Рисунок 2.5 - Дополнительная функция ошибок и функция Гаусса

Поперечное сопротивление р-базы усредненное удельное сопротивление р-базы ширина р-базы :

(2.19)

Усредненное удельное сопротивление р-базы лучше всего рассчитывать, используя численное интегрирование удельного сопротивления между переходами J3 и J2. Как альтернативу можно использовать кривые Ирвина [6], которые дают приближенное значение поперечного сопротивления.

Концентрация легирующей примеси в р-базе и ширина р-базы определяют эффективность инжекции n-эмиттера. Поскольку высокий коэффициент инжекции иметь предпочтительнее, для того, чтобы добиться минимального напряжения в тиристоре в открытом состоянии, любые поиски оптимального решения заключаются в обеспечении минимума концентрации легирующей примеси в р-базе.

Ограничение накладывается также на ширину р-базы, от значения которой зависит напряжение пробоя тиристора. В закрытом состоянии слой пространственного заряда распространяется на обе стороны перехода J2. Если при расширении слой пространственного заряда в слое Р2 достигает эмиттерного перехода J3, то происходит преждевременный пробой. [8]

На практике переход J3 имеет катодные эмиттерные шунты, ограничивающие значение коэффициента передачи апрп транзистора в схеме с общей базой. В этом случае толщина слоя пространственного заряда в р-базе, при котором происходит пробой, приблизительно равна самой ширине р-базы.

Рисунок 3.6 - Зависимости отношения ширины р-слоя объемного заряда к общей ширине области объемного заряда от общего напряжения, отнесенного к концентрации примеси в n-базе (а) и суммарной ширины области объемного заряда и емкости от V/N_B (б). Кривые показаны для различной глубины хj гауссовско-го диффузионного перехода при 300 К для NB/N0 в промежутке от 3·10⁸ до 3·10⁴

Для диффузионного перехода ширина слоя пространственного заряда может быть рассчитана из численного решения одномерного уравнения Пуассона для диффузионного распределения примеси:

(2.20)

где V - потенциал; р(х) - концентрация заряда в слое пространственного заряда; е_s, - диэлектрическая проницаемость кремния.

Рисунок 2.7 - Отношение толщины слоя объемного заряда на р-стороне для двойного диффузионного перехода к суммарной ширине слоя объемного заряда (а) и суммарная ширина области пространственного заряда как функция отношения напряжения к N_B (б) для хв=100 мкм и различных комбинаций (x_j1 x_j2). Кривые показаны для N₀₁ = 10²⁰·см^-3, N^B = 6·10¹³ см^-3, N⁰² = 2·10¹²·см^-3, и N⁰² = 10¹²·см^-3.

Примеры характеристик слоя пространственного заряда для р-n-перехода, полученного в результате диффузии одной примеси, даны в [1], а для диффузии двух примесей с концентрационными профилями, описываемыми функцией ошибок,- в [5]. Результаты этих публикаций воспроизведены на рис. 2.6 и 2.7. Для типичных силовых тиристоров, изготовленных по диффузионной технологии, слой пространственного заряда в р-базе может составлять 10-20% общей ширины слоя пространственного заряда, а использование двойной диффузии галлия и алюминия, как описано в [3], является одним из способов ограничения распространения пространственного заряда в р-базе ,(рис. 2.8).

Рисунок 2.8 - р-база, изготовленная методом двойной диффузии: хр - протяженность заряда в р-базе в прямом блокирующем режиме; I - фосфор, диффузионный эмиттер; II - высокая концентрация, мелкая диффузия; III -низкая концентрация, глубокая диффузия.

В результате такой двойной диффузии получается диффузионный профиль алюминия с низкой концентрацией и большой глубиной, что позволяет снизить электрическое поле перехода и, следовательно, повысить напряжение пробоя, тогда как более мелкий концентрационный профиль галлия препятствует распространению слоя пространственного заряда к переходу J3.

В настоящее время невозможно сформулировать точное уравнение распределения примеси в р-базе. С учетом факторов, рассмотренных выше, а именно: поперечного сопротивления р-базы, ограниченных возможностей выбора диффузанта и ширины смыкания р-базы, тем не менее, существует большое количество возможных вариантов.

Ширина р-базы должна быть как можно меньше, чтобы оптимизировать, например, время включения, скорость распространения включенного состояния и напряжение в открытом состоянии.

2.5.2 n-база (N1)