Запираемый тиристор - полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого лежит классическая четырехслойная структура.
Данный тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. Различие в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и р- проводимостями.
Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n. Он разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.
Базовый слой p, несмотря на то, что выполнен как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.
Основное исполнение тиристоров GTO - таблеточное с четырехслойной кремниевой пластиной, зажатой через термокомпенсирующие молибденовые диски между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. С кремниевой пластиной контактирует управляющий электрод, имеющий вывод в керамическом корпусе. Прибор зажимается контактными поверхностями между двумя половинами охладителей, изолированных друг от друга и имеющих конструкцию, определяемую типом системы охлаждения.
Принцип действия:В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы:
Фаза 1 - включение:
Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы j1 и j3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Все напряжение прикладывается к среднему переходу j2, который смещается в обратном направлении. Около перехода j2 образуется зона, обедненная носителями зарядов, получившая название области объемного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности UG (вывод "+" к слою p). В результате по цепи протекает ток включения IG. Запираемые тиристоры предъявляют жесткие требования к крутизне фронта dIG/dt и амплитуде IGM тока управления. Через переход j3, кроме тока утечки, начинает протекать ток включения IG. Создающие этот ток электроны будут инжектироваться из слоя n в слой p. Далее часть из них будет перебрасываться электрическим полем базового перехода j2 в слой n. Одновременно увеличится встречная инжекция дырок из слоя p в слой n и далее в слой p, то есть произойдет увеличение тока, созданного неосновными носителями зарядов. Суммарный ток, проходящий через базовый переход j2, превышает ток включения, происходит открытие тиристора, после чего носители зарядов будут свободно переходить через все его четыре области.
Фаза 2 - проводящее состояние:
В режиме протекания прямого тока нет необходимости в токе IG, если анодный ток превышает величину тока удержания. Однако на практике, для того чтобы все структуры выключаемого тиристора постоянно находились в проводящем состоянии, все же необходимо поддержание тока, предусмотренного для данного температурного режима. Таким образом, в течение времени включения и нахождения в проводящем состоянии система управления формирует ток положительной полярности. В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов от катода к аноду, дырок - в обратном направлении). Через переходы j1, j2 протекает анодный ток, через переход j3 - суммарный ток анода и управляющего электрода.
Фаза 3 - выключение:
Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения UT (рис. 3) к управляющему электроду и катоду по цепи управленияприкладывается напряжение отрицательной полярности UGR. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к рассасыванию основных носителей заряда (дырок) в базовом слое p. Другими словами, происходит рекомбинация дырок, поступивших в слой p из базового слоя n, и электронов, поступивших в этот же слой по управляющему электроду.
По мере освобождения от них базового перехода j2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока IТ тиристора за короткий промежуток времени до небольшой величины IТQT (рис. 2). Сразу после запирания базового перехода j2 начинает закрываться переход j3, однако за счет энергии, запасенной в индуктивности цепей управления, он еще некоторое время находится в приоткрытом состоянии.
Фаза 4 - блокирующее состояние:
В этом режиме к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности UGR от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток IGR, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход j3. Последний смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода (j2 и j3) смещены в обратном направлении, и образованы две области пространственного заряда. В течение всего времени выключения и блокирующего состояния система управления формирует напряжение отрицательной полярности.
· Тиристоры GCTВ середине 90-х годов фирмами ABB и Mitsubishi был разработан новый вид тиристоров Gate Commutated Thyristor (GCT). Собственно, GCT является дальнейшим усовершенствованием GTO или его модернизацией. Однако в GCT мы видим новую конструкцию управляющего электрода, а также заметно отличающиеся процессы, происходящие при выключении прибора.
· Тиристоры IGCTБлагодаря концепции жесткого управления (тонкое регулирование легирующих профилей, мезатехнология, протонное и электронное облучение для создания специального распределения контролируемых рекомбинационных центров, технология так называемых прозрачных или тонких эмиттеров, применение буферного слоя в n-базовой области и др.) удалось добиться значительного улучшения характеристик GTO при выключении. Следующим крупным достижением в технологии жестко управляемых GTO (HD GTO), с точки зрения прибора, управления и применения стала идея управляемых приборов, базирующихся на новом "запираемом тиристоре с интегрированным блоком управления (драйвером)" (англ. Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)).
Благодаря технологии жесткого управления равномерное переключение увеличивает область безопасной работы IGCT до пределов, ограниченных лавинным пробоем, то есть до физических возможностей кремния. Прибор IGCT сегодня - идеальное решение для применения в области силовой электроники среднего и высокого напряжений.
Структура динистора:
Структура двухэлектродного тиристора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности. Рассмотрим работу диода состоящего из четырех чередующихся слоев p1-n1-p2-n2 (рис. 4-а,б). Если подать на него не очень большое напряжение U плюсом на слой р1 и минусом на слой n1, то потечет ток, как показано стрелкой. В результате переходы П1 и П2 будут работать в прямом направлении, а переход П2 - в обратном. Таким образом, получится как бы сочетание двух транзисторов в одном приборе (Комбинация транзисторов р-п-р и п-р-п, действительно обладает свойствами динистора и может быть использована на практике.): одним транзистором является комбинация слоев p1-n1-p2, другим - комбинация слоев п1-р2-n2. Слои p1 и n2 являются эмиттерами, n1 и p2, - базами для одного транзистора и коллекторами для второго. Во избежание путаницы их называют базами. Переход П2 называют коллекторным.
Рассмотрим четырехслойную структуру, изображенную на рисунке 4. В этом случае напряжение окажется приложенным с основном к переходу П2, который будет работать в режиме коллектора. Переходы П1 и П2 окажутся смещенными в прямом направлении. Переход П будет представлять собой эммитер, инжектирующий неосновные носители в область n1, выполняющую роль базы для первого эммитера. Дырки, прошедшие первую базу и коллекторный переход П2, появляются во второй базе. Их нескомпенсированный объемный заряд будет понижать высоту потенциального барьера перехода П3 и вызывать встречную инжекцию электронов. Аналогичным образом можно рассматривать инжекцию электронов из области n2 в область p2 их появление в область n1 и встречную вторичную инжекцию дырок из области p1 в область n1. Таким образом, обе крайние области выполняют роль эммитеров, причем каждый эммитер отвечает вторичной встречной инжекцией на инжекцию другого эммитера. Этим создаются все необходимые предпосылки для развития лавинного процесса. Тем не менее лавинный процесс роста тока через систему начинается не при любом напряжение на структуре, а только при некотором достаточно большом напряжении. Если изменить полярность напряжения, приложенного к рассматриваемой структуре, на обратную, то переходы П1 и П3 окажутся смещенными в обратном направлении. Если оба эти перехода достаточно высоковольтные, то вольт-амперная характеристика будет иметь вид обратной ветви обычной диодной характеристики.
Пока коллекторный переход работает в обратном направлении, практически все приложенное напряжение U падает на нем. Поэтому при больших значениях U следует учитывать ударную ионизацию в этом переходе. Примем для дырок и электронов один и тот же коэффициент умножения М (чтобы не усложнять выкладки) и обозначим через a1 и a3 интегральные коэффициенты передачи тока от переходов П1 и П3 к переходу П2. Тогда ток последнего можно записать в следующем виде:
где Ik0-сумма теплового тока, тока термогенерации и тока утечки в переходе П2.
Поскольку токи через все три перехода одинаковы и равны внешнему току I, легко находим:
Здесь a=a1-a3 суммарный коэффициент передачи тока от обоих эмиттеров к коллекторному переходу. Выражение (2) в неявном виде является вольт-амперной характеристикой динистора, так как параметр M в правой части зависит от напряжения (Ток Ik0 при том его определении, которое было дано в формуле (1), тоже зависит от напряжения.
Однако учет этой зависимости наряду с зависимостью М. (U) сильно усложняет задачу. В некоторых случаях (например, если переход П2, зашунтирован небольшим заранее известным сопротивлением) можно пренебречь функцией М (U) и считать зависимость от напряжения сосредоточенной в функции Ik0 (U). В других случаях можно учесть зависимость a (U) и пренебречь функциями М (U) и Ik0 (U). Наконец, можно использовать различные 'комбинации этих функций. Общая методика анализа при этом не меняется.). Структура выражения (2) такая же, как в случае лавинного транзистора при Iб = 0. Такое сходство вполне естественно, поскольку оба "составляющих транзистора" в динисторе включены по схеме ОЭ с оборванной базой.
Принцип работы:
Большая часть внешнего напряжения падает на коллекторном переходе. С увеличением анодного напряжения, приложенного к тиристору между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу, диффундируют к р-n-переходу коллектора, проходят коллекторный переход и попадают в p-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода . Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.
Инжектированные дырки диффундируют к р-n-переходу коллектора, проходят через этот переход и попадают в р-базу. Дальнейшему их продвижению по тиристорной структуре препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. В результате накопления избыточного положительного заряда в р-базе и отрицательного в n-базе при напряжении на тиристоре Uвкл (напряжении включения), происходит резкое увеличение тока, проходящего через тиристор, и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре. Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях: выключенном, или закрытом, которое характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и прохождением малых токов через него, т. е. большим сопротивлением, и включенном, или открытом, которое характеризуется малым падением напряжения на тиристоре и прохождением больших токов через него, т. е. малым сопротивлением.
В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживается количество избыточных зарядов в базах, необходимое для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток через тиристор уменьшить до некоторой величины (Iвыкл), то в результате рекомбинации и рассасывания количество избыточных зарядов в базах уменьшится, p-n-переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на p-n-переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттера и тиристор перейдет в закрытое состояние. Структуру тиристора можно рассматривать как два эквивалентных транзистора, соединенных между собой. Постоянный ток коллектора этих транзисторов можно выразить через эмиттерные токи:
где In1, In2 и In3-соответственно токи первого, второго и третьего p-n-переходов; a1 и a2 - коэффициенты передачи постоянных токов эмиттера первого и второго эквивалентных транзисторов; Ikбo - обратный ток коллектора первого и второго транзисторов при токах эмиттера, равных нулю.
Очевидно, что для двух электродной структуры
Тогда анодный ток
где a=a1+a2 - суммарный коэффициент передачи тока.
Таким образом, переключение тиристора в открытое состояние с резким увеличением тока будет происходить при условии a=1.
Напомним, что коэффициент передачи тока эмиттера транзистора возрастает с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в р-п-переходе эмиттера и появления электрического поля в базе транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера также растет при увеличении напряжения на коллекторе из-за уменьшения толщины базы и увеличения коэффициента умножения в коллекторном переходе. Все эти процессы происходят и в тиристорной структуре при увеличении прямого напряжения.
Для тиристора, находящегося в состоянии, соответствующем переходному участку вольт-амперной характеристики, суммарный коэффициент передачи тока стремится возрасти из-за увеличения проходящего тока.
Но суммарный коэффициент передачи тока для переходного участка вольт-амперной характеристики должен быть равен единице. Дальнейшее возрастание суммарного коэффициента передачи тока предотвращается уменьшением напряжения на коллекторном переходе и, следовательно, на всем тиристоре, т. е. ослаблением ударной ионизации или уменьшением коэффициента умножения носителей заряда М.
В кремниевых транзисторах зависимость коэффициента передачи тока эмиттера выражена сильнее, чем в германиевых. Объясняется это большей шириной запрещенной зоны кремния по сравнению с шириной запрещенной зоны германия. Следовательно, в кремниевом тиристоре также более сильная зависимость суммарного коэффициента передачи тока, чем в германиевом. Преимуществом кремния как исходного материала для изготовления тиристоров по сравнению с германием является также меньшее значение токов Iкво, что обусловливает меньшую мощность, рассеиваемую в тиристоре в закрытом состоянии и, кроме того, повышенные значения напряжения включения Uвкл. Поэтому тиристоры делают только из кремния.
3. Трёхэлектродные тиристорыЧтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопление избыточного отрицательного заряда электронов в n-базе и избыточного положительного заряда дырок в p-базе. Осуществляется это путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы при увеличении анодного напряжения на тиристоре до величины напряжения включения.
Однако тот же эффект можно получить, если у одной из баз есть невыпрямляющий контакт с электродом (рис.5, а), который называют управляющим электродом. При подаче на управляющий электрод напряжения такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении, можно увеличить инжекцию из p-эмиттера, что приведет к накоплению избыточных зарядов в базовых областях тиристора и к переключению его в открытое состояние при анодном напряжении на тиристоре, меньшем напряжения включения Uвкл (рис.5, б).
Другими словами, при подаче на управляющий электрод напряжения можно изменять ток эмиттера и, следовательно, регулировать значение коэффициента передачи тока эмиттера одной из транзисторных структур, что обусловит увеличение суммарного коэффициента передачи всей тиристорной структуры и переключение ее в открытое состояние. Очевидно, что с ростом тока управления анодное напряжение, необходимое для переключения тиристора в открытое состояние, понижается (рис.5, в). Для удобства управления тиристором управляющий электрод делают у более тонкой базы, так как коэффициентом передачи тока эмиттера такой транзисторной структуры легче управлять, чем коэффициентом передачи транзистора с толстой базой.
Управляющий контакт можно сделать не только невыпрямляющим, но н с дополнительным p-n-переходом (рис.5, б). При определенной полярности напряжения на управляющем электроде через дополнительный переход будет происходить инжекция неосновных носителей заряда и их накопление в соответствующей базе, что также приведет к переключению тиристора в открытое состояние.
4. Симметричные тиристоры
Основой симметричного тиристора является кремниевая монокристаллическая структура, состоящая из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре р-n-перехода (рис.6, а). Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих к этим р-n-переходам областей с электропроводностью p-типа.
Если на такой тиристор подать напряжение плюсом на область n1 и минусом на область n3 то p-n-переход окажется включенным в обратном направлении, и ток, проходящий через него, будет пренебрежимо мал. Весь ток через тиристор при такой полярности приложенного напряжения будет проходить по шунтирующему сопротивлению области р.1. Четвертый p-n-переход будет включен в прямом направлении и при достаточном значении напряжения через него будет происходить инжекция электронов. Значит, при выбранной полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру р-n-р-n, в которой могут происходить те же процессы, что и в обычном двухэлектродном тиристоре, приводящие к переключению его из закрытого состояния в открытое и обратно.
При перемене полярности внешнего напряжения четвертый p-n-переход окажется включенным в обратном направлении и, обладая при этом большим сопротивлением, будет целиком зашунтирован относительно малым сопротивлением области р2. Следовательно, при изменении полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру п-р-п-р, способную переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно.
Таким образом, симметричный тиристор можно представить в виде двух тиристоров, включенных встречно н шунтирующих друг друга. При изготовлении такой тиристорной структуры с геометрической симметрией относительно центра средней области n2 и при одинаковых электрических параметрах p-n-переходов 1 и 4, 2 и 3 вольт-амперная характеристика симметричного тиристора также будет одинаковой при разных полярностях приложенного напряжения (рис.6, б). Симметричный тиристор можно сделать управляемым, если у одной из областей с электропроводностью p-типа осуществить невыпрямляющий контакт с соответствующим управляющим выводом.