I Pi

>-o

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

поверхности р-п переходов достаточно велико и ток управления Ig не может равномерно протекать по всей площади структуры, локализуясь вблизи границы контакта электрода управления с базовым слоем р-

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, примьгеающих к управляющему электроду непосредственно, а ко всем остальным-через эквивалентные сопротивления г, 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 gp 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, о 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 г, отображающие сопротивление этих слоев структуры между двумя рассматриваемыми ее частями. Диоды, смещенные в прямом направлении, полностью заштрихованы.

При подаче управляющего (отпирающего) тока Iq ближайшая к управляющему электроду часть структуры переключается в проводящее состояние и напряжение на ней между анодом и катодом начинает падать (рис. 1.14,6). В частях

Q i Q >

i£zg «f

"L

/16-1-

h 12

Рис. I. 14. К вопросу о физической сущности эффекта dijdt

структуры, удаленных от управляющего электрода, быстрое падение напряжения на включившейся части структуры приводит к тому, что заряд коллекторного перехода уг частично перераспределяется между эмиттерными переходами у\ и уз, вызывая уменьшение обратного смещения коллекторного перехода Уг и изменение смещения эмиттерных переходов у и уз 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. 1.14,6. 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 р2, 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 gp, 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 у обычно описывают [1.9] логарифмической функцией

v = Ci\nj+C2

(1-9) 25

-П „ . >...... ......... ......г...........

ИЛИ степенной

v = {KjY", (1.10)

где Ci, С2, К, п-константы (причем п обычно находится в диапазоне 2-6 [1.10]). Для грубых оценок длительности процесса распространения включенного состояния можно считать V константой, равной 0,1 мм/мкс [1.11].

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 оставгиейся части структуры продолжается даже при условии, что импульс тока управления уже закончился.

Физическую сущность эффекта dijdt, выражающегося в повышенном нагреве первоначально включенной области структуры, можно пояснить следующим образом. До тех пор пока анодный ток г(/) нарастает существенно быстрее, чем площадь S{i) включенной области структуры, плотность анодного тока j во включенной части структуры, равная i[t)lS{t), может резко возрастать.

Кроме того, мощность Р, 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 dijdt повышается с ростом первоначально включаемой площади его структуры, что достигается специальным конструктивным исполнением электрода управления и увеличением скорости нарастания и амплитуды отпирающего тока.