Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основы физики процесса выключения тиристора током управления
1.1. Статические и динамические характеристики запираемого тиристора (одномерное приближение) Ю
1.2. Неодномерные явления при запирании тиристора базовым током управления 22
1.3. Схемно-конструктивные варианты переключающихся полупроводниковых элементов (устройств),выключаемых действием тока управления 34
Выводы по первой главе 42
Слава II. Теоретическое и экспериментальное исследование статических параметров рпрп структур, выключаемых током управления .
Введение 46
2.1. Анализ зависимости коэффициента запирания тиристора от величины анодного тока 46
2.2. Исследование физической природы повышенных остаточных падений напряжения57
2.2.1. Феноменологический анализ вольтамперной характе ристики рпрп структуры, находящейся во включённом состоянии 57
2.2.2. Экспериментальное исследование стационарного распределения потенциала и заряда в РПРП и РППРП структурах. Обсуждение результатов 66
Выводы по второй главе 80
Глава III. Экспериментальное исследование неодномерных, нестационар ных процессов в запираемом тиристоре .
3.1. Исследование неодномерного нестационарного распределения заряда в структуре запираемого тиристора методом регис трации рекомбинационного излучения 82
3.1.1. Определение требований к параметрам экспериментальной установки. Описание установки. Методика измерений 82
3.1.2. Градуировка установки 89
3.1.3. Исследование процессов принудительного, нестационарного шнурования тока и разрыва токового шнура в запираемом тиристоре 93
3.2. Исследование динамики электрического поля в базовых слоях рпрп структуры при выключении её током управления 106
3.2.1. Измерительная установка. Методика измерений 107
3.2.2. Процесс восстановления области пространственного заряда в запираемом тиристоре при низких уровнях концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых областях и небольших анодных напряжениях Ю9
3.2.3. Динамическое распределение поля в процессе запирания тиристора при высоких уровнях концентрации электронно-дырочной плазмы в базовых областях и больших анодных напряжениях 115
Выводы по третьей главе 124
Глава IV Тепловые и полевые эффекты при запирании тиристора, как факторы ограничения предельной переключаемой мощности. Шкоторые вопросы конструирования и применения мощных запираемых тиристоров. Введение 125
4.1. Тепловой механизм деградации и ограничения переключаемой мощности 127
4.1.1. Постановка задачи. Экспериментальные результаты.. 127
4.1.2. Теоретический анализ теплофизической модели структуры запираемого тиристора, учитывающий объёмный характер тепловыделения 133
4.2.Полевой механизм ограничения переключаемой мощности.. 145
4.3.Некоторые вопросы конструирования и применения мощных запираемых тиристоров 149
4.3.1.Исследование запираемых тиристоров с,защунтиро-ванным катодным п+р переходом 149
4.3.2.Исследование процесса запирания многокатодной рпрп-структуры 151
Приложение I.
4.4.Основные конструктивные особенности и электрические характеристики рпрп-структур мощных высоковольтных запираемых тиристоров 158
Выводы по четвертой главе 162
Глава V. Комбинированный способ выключения рпрп-структур. Введение 164
5.1.Исследование физических процессов в рпрп-структуре при комбинированном ее выключении 165
5.2.Влияние шунтирования эмиттерного п+р перехода на время выключения рпрп-структур в комбинированном режиме. 176
Приложение
5.3.Конструктивные особенности комбинированно-выключаемых тиристоров ( КВТ ). Электрические характеристики мощных КВТ в номинальном и сверхтоковом импульсном режимах 179
Выводы по пятой главе 187
Заключение 189
Литература
- Схемно-конструктивные варианты переключающихся полупроводниковых элементов (устройств),выключаемых действием тока управления
- Феноменологический анализ вольтамперной характе ристики рпрп структуры, находящейся во включённом состоянии
- Исследование процессов принудительного, нестационарного шнурования тока и разрыва токового шнура в запираемом тиристоре
- Теоретический анализ теплофизической модели структуры запираемого тиристора, учитывающий объёмный характер тепловыделения
Введение к работе
Основными активными элементами в современных силовых полупроводниковых преобразовательных устройствах являются приборы на основе четырехслойной рпрп структуры - тиристоры. Многообразие задач, решаемых с их помощью, а также различные и часто противоречивые требования, предъявляемые к приборам, привели к созданию целого ряда тиристоров специального назначения (модуляторные, частотные, быстродействующие, высоковольтные и т.д.). Из всего семейства многослойных полупроводниковых переключающих приборов следует особо выделить запираемый тиристор (ЗТ) и комбинированно выключаемый тиристор (КВТ) общим для которых является принцип принудительного рассасывания заряда из базовой области отрицательным током управления при их выключении. Наиболее универсальным по своим возможностям является запираемый тиристор (ЗТ), обладающий способностью не только переходить во включенное состояние при подаче положительного импульса тока управления, но и выклю -чагься импульсом тока управления отрицательной полярности. Это специфическое качество открывает широкие возможности для эффективного использования ЗТ в различных системах автоматики при коммутации постоянного тока, в регулируемых и стабилизированных источниках питания, преобразователях напряжения и частоты. Выгоды, которые обещает дать применение ЗТ вместо обычных тиристоров или даже в комбинации с ними, связаны с упрощением схем управления, улучшением массогабаритных показателей преобразовательных систем, и, как следствие, с удешевлением соответствующей аппаратуры. Кроме того, запираемый тиристор - прибор, принципиально более быстродействующий, чем обычный тиристор, т.к. исчезновение накопленного в структуре избыточного заряда при выключении про _ 6 исходит под влиянием принудительного экстрагирования носителей из базовой области с темпом гораздо более быстрым, чем темп рекомбинационных процессов, определяющих динамические свойства обычных тиристоров.
Основным препятствием на пути к широкому применению ЗТ в мощной электротехнике до настоящего времени являлось отсутствие ЗТ -_ов , способных эффективно коммутировать большие токи и напряжения. Решение этой проблемы оказалось невозможным в рамках традиционных представлений о физических процессах в рпрп структурах. Специфическое качество ЗТ - способность переходить в непроводящее состояние под воздействием активного процесса рассасывания заряда из базовой области - обусловило возникновение целого комплекса новых задач как теоретических, так и экспериментальных.
Например, построение одномерной феноменологической теории, объясняющей механизм формирования стационарной вольтамперной характеристики ЗТ, а также установление взаимосвязи между электрофизическими характеристиками и важнейшими статическими параметрами прибора невозможно без рассмотрения эффектов, являющихся следствием стационарной модуляции размеров внутренних областей под действием приложенного к структуре напряжения и нелинейной модуляции их проводимости с ростом плотности тока.
Другой класс задач по исследованию физических процессов в ЗТ связан с рассмотрением нестационарного, неодномерного процесса запирания. Корректное теоретическое его рассмотрение связано со значительными .трудностями. Попытки упрощения задач этого класса приводят к тому, что результаты теоретического анализа носят, как правило, иллюстративный характер. В связи с этим целесообразно, с целью выявления и объяснения существенных и неочевидных деталей динамического процесса запирания, провести комп - 7 лексное экспериментальное исследование динамических распределений заряда и потенциала, полностью описывающих физическую ситуацию в рпрп структуре.
С не одномерным характером процесса запирания, приводящим к принудительной локализации тока в приборах с большой площадью, тесно связаны возможные физические механизмы ограничения предельной переключаемой мощности и частичной или полной деградации ЗТ при работе в критических режимах.
До настоящего времени этот важный вопрос практически не был исследован, в особенности, в плане понимания роли и степени влияния теплового и возможных не тепловых факторов ограничения.
Непрекращающиеся попытки создания полупроводникового прибора, который, по сравнению с обычными тиристорами, имел бы повышенное быстродействие и не уступал им по параметру предельной переключаемой мощности привели сравнительно недавно к реализации идеи комбинированного выключения тиристора. КВТ выключается путем одновременного приложения обратного анодного напряжения и импульса отрицательного тока управления. Несмотря на некоторые общие черты КВТ и ЗТ, связанные с тангенциальным механизмом вывода заряда из структуры, в целом процессы динамической перестройки заряда в них существенно отличаются. В настоящее время чрезвычайно актуальной является задача построения хотя бы качественной физической модели процесса выключения КВТ.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование стационарных и нестационарных процессов при запирании тиристора, выяснение физической природы возможных факторов ограничения предельной переключаемой мощности и определение путей ослабления их влияния, построение физической модели процесса выключения КВТ, а также создание на основе результатов
- 8 физических исследований конкретных модификаций мощных ЗТ и КВТ, способных осуществлять эффективную коммутацию высоковольтных цепей с напряжением от 500 В до 2,5 - 3,0 кВ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Закономерности формирования статической вольтамперной характеристики рпрп-структур определяются эффектом модуляции размеров внутренних базовых областей в случае выполнения условия где odj0 , о 2о " коэффициенты передачи по току условных рпр- и прп-транзисторных секций тиристора при нулевом напряжении на центральном р-п переходе рпрп-структуры.
2. Увеличение коэффициента запирания с ростом величины запираемого тока обусловлено уменьшением коэффициента инжекции р-эмит-тера при повышении плотности тока, текущего в рпрп-структуре, начиная от значения 10 к/сиг.
3. Динамический процесс запирания рпрп-структур большой площади в общем случае имеет неодномерный характер. Степень неодномерности, характеризуемая степенью превышения плотности тока в каком-либо участке структуры над стационарным её значением, уменьшается с уменьшением отношения запираемого тока к запирающему току базы и тангенциального (вдоль линий тока управления) размера п-эмит-тера, а также с повышением равномерности свойств структуре по площади.
4. Уменьшение коэффициента запирания и величины предельного запираемого тока с ростом анодного напряжения есть следствие нестационарного эффекта перестройки заряда в плазме и глубокого проникновения области сильного поля в п-базу рпрп-структуры в направлении от центрального р-п перехода к р-эмиттеру на этапе ускоренного спада анодного тока.
- 9 5. Степень влияния теплового фактора ограничения предельной переключаемой запираемым тиристором мощности наиболее точно устанавливается при рассмотрении теплофизической модели, учитывающей объемный характер тепловыделения в процессе спада тока и нарастание напряжения на рпрп структуре. При завершении процесса запирания в одном токовом шнуре максимальное значение переключаемой мощности не может превышать 6+8 кВА.
6. Существенное, в 3- 7 раз, уменьшение времени выключения тиристора в комбинированном режиме обуславливается, принудительным выводом заряда неравновесных носителей, накопленных в п-базе, через проницаемый (iffc 1) коллекторный переход и р-базу в цепь управления. При этом плазменный сгусток в при коллекторной области п-базы играет роль инжектора, ток которого не зависит от тока во внешней цепи, контролируемого процессом восстановления р+п -эмигтерного перехода.
Теоретическая и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что они позволили глубже понять реальные процессы в запираемых и комбинированно выключаемых тиристорах, описать физическую природу факторов, ограничивающих .значения пред-дельной переключаемой мощности ЗТ, предложить практические рекомендации по улучшению конструкции указанных полупроводниковых приборов и создать две модификации ЗТ на , токи 5; 50 А рабочие напряжения 1500; 600 В и три модификации высоковольтных КВТ на токи 160-200 А и напряжение 1200; 1800; 2500 В.
В настоящее время разработка мощного КВТ входит в одну из тем задания "быстродействующие тиристоры" целевой комплексной программы ОЦ-023.
Схемно-конструктивные варианты переключающихся полупроводниковых элементов (устройств),выключаемых действием тока управления
Так как мощный запираемый тиристор является лишь одним из вариантов мощного быстродействующего ключевого элемента вообще, го определенный интерес представляет рассмотреть известные из литературы конструктивные и схемно-конструктивные решения, призванные повысить как предельное значение коммутируемой мощности, так и быстродействие переключающего полупроводникового элемента. Одной из первых попыток в этом направлении явилась конструкция описанная в [27 . Выключение прибора осуществляется путем подачи обратного анодного напряжения не на внешние эмигтерные слои прибора, а непосредственно на диодную структуру, образуемую внутренними рп слоями тиристора (рис.1-5а). При этом прямой и вспомогательный (выключающий) токи текут перекрестно, благодаря диагональному расположению анода и катода, и происходит непосредственное "отсасывание" избыточных носителей из области коллекторного перехода (рис.1-56). Такая конструкция, по мнению автора, должна обеспечить коммутацию тока амплитудой 200 А за время 2 мкс . Однако, нет информации о реализации подобной конструкции, что, видимо, объясняется трудноетями, связанными с возможным возникновением сильных полей в поперечном направлении из--за протекания токов вдоль рп переходов структуры, состоящей из тонких слоев, представляющих значительное омическое сопротивление. В [17 кратко упоминаются две возможные конструкции ЗТ. Первая связана с созданием в одной из базовых областей "сетки" с другим типом проводимости (например, в п-базе сетка р-гипа). При подаче сигналов соответствующей полярности на переход, образованный материалами сетки и базы, в структуре появляются токопрово-дящие каналы, которые затем "пережимаются", и структура выключается. Реализация этой конструкции в настоящее время сталкивается с непреодолимыми технологическими трудноетями.
Во второй конструкции предлагается окончательное формирование двумерного процесса запирания проводить в транзисторной области, смежной с тиристорной. При этом предполагается, что выключение транзистора отрицательным базовым током произойдет одномерно, что, конечно, неверно, так как и в транзисторах наблюдается локализация тока, вследствие неравномерного смещения эмигтерного перехода при протекании запирающего базового тока (поперечный эф фект) ["28] . Обсуждалась также идея, согласно которой токовый шнур должен выталкиваться током управления в область структуры, в которой запирание осуществляется легче, например, в область с повышенной скоростью рекомбинации.
Однако, такая конструкция не снимает ограничения накладываемого на возможности прибора, например, эффектом теплового разогрева. Кроме того, возможности прибора ограничиваются сравнительно небольшим перепадом значений электрофизических параметров по площади структуры, при котором еще возможен процесс выталкивания шнура в область с малыми значениями коэффициентов передачи по току об и 0 и, соответственно, большим значением остаточного падения напряжения.
В работе [29] предлагается оригинальная комбинация маломощного управляемого тиристора с транзистором большой мощности, которая представляет собой схемный эквивалент запираемого тиристора (рис.1-6). Для поддержания эквивалентного тиристора во включенном состоянии необходимо выполнить условие Т/\ Tug. , которое путем несложных преобразований приводится к выражению для тока удержания эквивалентного тиристора где В - коэффициент усиления по току транзистора, Jbo - ток удержания тиристора.
Из формулы видно, что, изменяя ток Т# , можно в широких пределах менять ток Луу.экб. » ї«е. резистором Я можно задавать величину тока удержания эквивалентного тиристора. Аналогично, можно управлять коэффициентом запирания эквивалентного тиристора . циенг запирания эквивалентного тиристора в в раз больше Аз.7: тиристора.
Как утверждают авторы, указанная гибридная схема должна обладать большим быстродействием вследствие того, что концентрация избыточных носителей тока в базовых областях тиристора, находящегося во включенном состоянии, мала. Поэтому и длительности процессов накопления и рассасывания носителей также малы. Остаточное падение напряжения гибридного эквивалента превышает падение напряжения на отдельном включенном 3 7"- е на величину напряжения, падающего на эмигтерном переходе транзистора.
В работе приводятся данные для запираемого тока Х= /О А при Кзап.эк /00 и U-100B . Помимо повышенных, по сравнению с ЗТ, остаточных напряжений, гибридный эквивалент запираемого тиристора обладает очевидным недостатком. Этот недостаток заключается в том, что для создания мощного (высоковольтного и сильноточного) переключающего гибридного элемента необходашо иметь транзистор с соответствующими параметрами. В то же время создание высоковольтного мощного транзистора (U 1 ,1 100+200 А) задача сама по себе достаточно сложная. Наиболее мощные транзисторы отечественного производства, выпускаемые серийно, расчитаны на напряжение 300 В и токи порядка 40 А.
Феноменологический анализ вольтамперной характе ристики рпрп структуры, находящейся во включённом состоянии
В 1-ой главе настоящей работы отмечалось, что в отдельных случаях остаточное падение напряжения на рпрп структурах (Пост. ) имеет значение, намного превышающее го, которое может быть предсказано общепринятой теорией [44,45] . Известно также, что "аномально" высокие значения Uocr наблюдались, как правило, в случаях, когда с гой или иной целью при изготовлении рпрп структуры уменьшались коэффициенты передачи по току прп и рпр составляющих транзисторов di и cL . (Например, при шунтировании эмиг-терных рп переходов и увеличении ширины слаболегированяой базы с целью увеличения напряжения переключения или при уменьшении времени жизни в базовых областях с целью получения лучших динамических характеристик). Наиболее часто повышенные значения Uocr наблюдаются в рпрп структурах запираемых тиристоров, гак как в таких структурах для обеспечения высоких значений коэффициента запирания необходимо, чтобы сумма cLf и Ж незначительно превышала единицу. В работах [35,3б] было экспериментально установлено, что иногда на коллекторном переходе рпрп структуры сохраняется отрицательное смещение даже при значениях тока, на несколько порядков превышающих ток удержания. Этот факт позволяет предположить, что большие значения Пост связаны с отсутствием инверсии знака напряжения на коллекторном переходе, но он не может быть объяснен в рамках традиционных представлений, изложенных в главе I, связывающих переход тиристора во включенное состояние с положительным смещением коллекторного рп перехода. К моменту выполнения настоящей работы в литературе, посвященной анализу статических и динамических характеристик рпрп структур, отсутствовало достаточно убедительное объяснение наблюдаемого явления и соответственно, возникновения большого остаточного напряжения. Ниже мы определим условия, при которых не происходит изменения знака напряжения на центральном (коллекторном) рп переходе тиристора и исследуем вольтамперную характеристику прибора в открытом состоянии.
Рассмотрим качественно влияние эффекта расширения области пространственного заряда центрального рп перехода на форму вольт-амперной характеристики тиристора, для случая низкого уровня ин-жекции в обеих база тиристора. Тогда, в области малых токов (порядка тока удержания) можно пренебречь падением напряжения на базовых областях и считать, что напряжение на коллектором переходе $Z равно напряжению, падающему на всей структуре, т.е. 17=. Тогда уравнение вольтамперной характеристики тиристора можно записать в виде [4б]
Для исследовавшихся структур величина градиента примеси в коллекторном переходе определялась по экспериментальной зависимости величины барьерной емкости от обратного напряжения. В до-сгаточно широком диапазоне напряжений С/$ U , что указывало на плавный характер рп перехода. Вычисленное значение градиента примеси " СЬ " было равно Кг см"4.
При напряжении на центральном переходе [fc (/ - контактной разности потенциалов, можно считать, что часть уравнения уменьшается, стремясь при 1 = 10 к единице. Равенство в (2.30) выполняется при уменьшении [/% , а, следовательно, и левой части уравнения. Если правая часть уравнения при Uz-0 больше единицы, то при токеT Igywi. напряжение на центральном переходе упадет до нуля (рис.2-6).
Таким образом, условием инверсии знака напряжения на рп переходе $2 является неравенство :
При обратном неравенстве, с ростом тока через структуру напряжение U2 будет падать, стремясь при X»Т0 к постоянной величи не l/g , определяемой выражением: На рис.2-6 показана методика построения зависимости напряжения ІІ2 от тока J, представляющей собою решение трансцендентного уравнения (2.25).
Для определения каждой точки зависимости Uz j (-Е) задавалось определенное значение тока, последовательность построения указана стрелками на рис.2-6. Построение проведено для двух различных типов структур, отличающихся, при прочих равных условиях, значением суммы коэффициентов переноса при Uz О Градиент примеси в рп переходе $2. был принят равным 10 см"4. Размеры базовых областей и диффузионные длины электронов и дырок были взяты соответственно равными: при построении кривой I рис.2-6 WnQ = 100мкм; Wp0 = ЦОмкм; Lp = /0 мим;Ln = 35,$мкм при построении кривой 2 Wn0 - 150мкм; Wf 0 - 50мкм; Lp = 22,4мкм;Ь„-71,Чмкм
Как видно из рисунка, для случая, когда Э/0+ &2о=0,8 го есть, выполняется условие (2.31), при токах, больших, чем /т = JO4 , напряжение Uz If ост стабилизируется на уровне Цг (кривая І, Ш квадрант). В то же время для структуры с %+% /,/5" при токе /ХИо І0 напряжение 17г0 спадает до нуля (кривая 2, Ш квадрант). Результирующая вольтамперная характеристика структуры определяется выражением где l/fflj и Uz() вольтамперные характеристики эмиттерных рп переходов и з . Поэтому, несмотря на то, что кривая I, соответствующая в первом приближении, вольтамперной характеристике включенной рпрп структуры, переход 2 которой остается в ненасыщенном режиме, имеет сильно затянутый участок отрицательного дифференциального сопротивления, асимптотически приближающийся к значению Z7= [І20 , дифференциальное сопротивление структуры в целом при токах X »Ґо положительно и определяется положительными дифференциальными сопротивлениями эмитгерных переходов.
Исследование процессов принудительного, нестационарного шнурования тока и разрыва токового шнура в запираемом тиристоре
Для определения интегрального значения заряда 6? , накопленного в базе диода после пропускания стационарного прямого тока, на него подавалось обратное напряжение, обеспечивающее амплитуду обратного тока примерно на порядок превышающую прямой ток. Длительность протекания обратного тока была существенно меньше времени жизни неосновных носителей тока в базовой области диода. При этом можно считать, что в процессе вытягивания обратным током накопленного заряда при W/ і рекомбинационные потери отсутствуют, а площадь, ограниченная кривой осциллограммы обратного тока, почти точно соответствует величине накопленного заряда [58,59J . Точность определения значения Q ухудшается с увеличением W ji , гак как при этом будет вытягиваться не весь заряд, а несколько меньшая часть (для предельного случая полубесконечного образца - не более половины [58] ). По результатам измерений концентрации, накопленной в градуировочном образце, представлявшем собой ріп диодную структуру, была построена градировочная зависимость рис.3-4. Угол наклона зависимости, построенной в двойном логарифмическом масштабе, характеризуется коэффициентом р - показателем степени при"п"в выражении (3-2). В (3-І) показатель степени при п равен 2ft . Как видно из рис.3-4, в нашем случае 2ft - %ЬЧ , т.е. наблюдается некоторое отклонение от теоретической зависимости, объясняемое потерей части излучения из-за поглощения в толще образца.
Как уже отмечалось в 1-ой главе, запирание рпрп структур, имеющих значительные геометрические размеры, сопровождается уменьшением размеров токопроводящей области прибора. Экспериментальные данные по этому вопросу, известные из литературы, касаются лишь квазистационарного характера процесса запирания, когда запирание осуществляется током Icj Ту сггьт. При X, 1йстат. процесс шнурования тока имеет принципиально нестационарный характер, исключающий состояние стабильного шнурования тока. Номарль-но переходной процесс запирания тиристора (ШЗ) завершается разрывом шнура и практически полным прекращением протекания тока через прибор.
Очевидно, что разумное конструирование ЗТ невозможно без ясного понимания физической картины динамики формирования ШЗ и его отдельных этапов. Размеры и пространственное местоположение в структуре токопроводящей области прибора в каждый данные момент ШЗ зависят от геометрии и взаимного расположения (в плане) управляемого эмитгерного перехода и базовой металлизации. Однако, полную информацию о деталях процесса для всех практически интересных случаев можно получить, исследуя два простейших конструктивных варианта, показанных на рис.3-5а, 3-56. Первый характеризует ся малым значением отношения площади эмиттера к линейному размеру эмиттера вдоль направления протекания тока управления Sd /э і » второй - большим %/% Ss = const
Пусть координатные оси направлены гак, как показано на рис. 3-5а, 3-56, а именно: ось X - параллельно линиям анодного тока, ось у - параллельно линиям тока управления. Из рисунков наглядно видно различие в характере неодномерного процесса в рассматриваемых структурах. Так, в структурах первого типа существенную неодномерность процессов следует ожидать в плоскости X i, в структурах же второго типа - в плоскости 3CZ 2 При этом размеры п-эмиттера вдоль осей и У2 , соответственно, настолько малы, что в указанных направлениях процессы имеют одномерный характер.
Очевидно, что закономерности процессов вдоль направлений Х,Хг Уг& г,г2 - иденгичвы, и в сопоставлении даюг полную трехмерную картину процесса запирания.
Исследование структур первого типа показало, что в этом случае процесс запирания неизбежно сопровождается образованием одного токового шнура (ТШ). Каждому данному моменту ЇЇПЗ можно сопоставить определенные размеры и местоположение токового шнура (ТШ), а также определенную плотность тока, текущего в области шнура. Это позволило выделить и описать два основных типа переходного процесса запирания, которые показаны на рис.3-6, 3-7. Управление структурами осуществлялось путем последовательной подачи управляющих, базовых сигналов Ти и Хи одновременно на оба базовых вывода. Кривые рис.3-66, 3-76 получены путем последовательного оптического зондирования участков структур, имеющих размеры равные: по оси X - суммарной толщине слоев рпрп структур, по оси у - разрешающей способности по координате "У " (50 100мкм).
Теоретический анализ теплофизической модели структуры запираемого тиристора, учитывающий объёмный характер тепловыделения
Процесс синхронного нарастания интенсивности излучения у эмиттера и у коллектора (кривые 1,2) наблюдается в течение неодномерного этапа задержки вплоть до момента t% , соответствующего началу П-го этапа. Во время 1-го этапа может наблюдаться как постоянство анодного тока, гак и его уменьшение. Степень уменьшения будет зависеть от того, насколько возрастает плотность тока в области структуры, выключающейся в последнюю очередь, относительно плотности стационарного включенного состояния, и, во--вторых, от соотношения между возрастающим во времени сопротивлением прибора &пр. и сопротивлением нагрузки Днагр. . Анодный ток в каждый данный момент времени определяется как
Со, = /р //) + /? си-р 0чевиДно» ЧГ0 переходный процесс типа рис.3-7в легче получить в случае малых значений /?нагр. , когда анодный источник работает в режиме генератора напряжения. Начиная с момента t% » синхронное нарастание концентраций /? _ ,
П 2 нарушается: несмотря на продолжающееся уменьшение размеров ТШ, /7т, начинает уменьшаться. В то же самое время Пу3 все еще возрастает. Таким образом, увеличение сопротивления прибора (4) является следствием, с одной стороны уменьшения размеров ТШ на 1-ом этапе и, с другой - возрастания сопротивления приколлекторной области п-базы вследствие уменьшения абсолютного значения концентрации неравновесных носителей в ней на 2-ом этапе. И если 1-ый этап обусловлен сугубо неодномерными процессами перемещения и сжатия ТШ, то на 2-ом этапе в приколлекторных областях баз уже имеет место практически одномерный процесс уменьшения неравновесного заряда по всему поперечному сечению ТШ. Второй этап завершается, когда концентрация неосновных носителей у коллектора достигает значения близкого к нулю. 3-ий этап - этап ускоренного уменьшения анодного тока, обусловлен только одномерным процессом, в течение которого происходит уменьшение накопленного в базовых областях (в основном, в п-базе) заряда по всему объему ТШ. И несмотря на регистрируемое установкой продолжающееся уменьшение размера ТШ, здесь следует говорить не о сжатии шнура, характеризующемся повышением плотности заряда в какой-либо области ТШ, а об одномерном процессе его разрыва. На этом этапе действие внутренней положительной обратной связи между составляющими тиристор условными транзисторными структурами приводит регенеративному" уменьшению анодного тока. На 4-ом этапе происходит также одномерное независимое рассасывание накопленного, в базах заряда с темпом, задаваемым временем жизни неосновных носителей. Таким образом, лишь 3-ий и 4-ый этапы могут быть описаны в рамках известной одномерной теории.
Описанный выше механизм неодномерного процесса запирания тиристора носит, независимо от особенностей ЗТ, общий характер и является определяющим во всех тех случаях, когда имеется существ-венная неодномерность в направлении протекания тока управления (вдоль оси (j. рис.3-5а).
Исследование структур с малым значением / -о1э (рис.3-56), в которых существенным линейным размером, позволяющим предполагать возможную неодномерность процесса запирания, является размер вдоль оси j/g (перпендикулярно направлению Тй ), показало, что, в отличие от уже рассмотренного случая, здесь могут реализоваться процессы трех видов: 1. Локальное повышение плотности тока (шнурование) в какой--го одной А? области структуры. 2. Разбиение проводящей области на два или более чем два то ковых шнура с последующим одновременным и независимым прекращением протекания тока, либо во всех шнурах, либо в одном или нескольких шнурах, куда перераспределяется общий ток. 3. Отсутствие шнурования, т.е. процесс запирания носит одномерный характер.
Конкретный характер процесса запирания для одной и той же структуры зависел от режима ее работы. Так, на рис.3-Ю показано распределение тока вдоль полоски п-эмиттера в процессе запирания. Кривые соответствуют различным моментам времени. Видно, что, если запирание осуществляется током управления сравнительно малой амплитуды ( зап. -велик:), то наблюдается образование одного токового шнура (рис.3-10а). Увеличение же импульса управления:.. в 2-4 раза ( / за,п - мал) приводит к тому, что процесс запирания может протекать либо вообще без шнурования, либо со слабо выраженным шнурованием (рис.З-Юб), т.е. практически одномерно для каждой Д. Н области равномерно включенной полоски. Аналогичная картина наблюадалась при изменении Кзап путем изменения анодного тока при постоянном
Иной характер процесса запирания для другого образца показан на рие.З-П. Отчетливо видно образование двух токовых шнуров, причем, если для одного значения Къап токопроводящая область разбивается на два шнура, выключающиеся затем практически независимо (рис.З-ІІб), то для Kian большего, чем в первом случае, после образования двух шнуров, начинается перекачка тока из одного в другой (рис.З-Па).
