Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии

В открытом состоянии (α – велики) все три перехода смещены в прямом направлении. Это происходит вследствие накопления объемных зарядов в базах n ₂, p ₂ тиристора.

Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α ₂ электроны, инжектированные из n ₂‑эмиттера в р ₂‑базу, диффундируют к р‑n переходу коллектора П₃, проходят его и попадают в n ₁‑базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₁. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n ₁‑базы, образует отрицательный избыточный заряд.

Инжектированные дырки из эмиттера р ₁ в базу n ₁ диффундируют к р‑n переходу коллектора П₃, проходят через него и попадают в базу р ₂. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₂. Следовательно, в базе р ₂ происходит накопление избыточного положительного заряда.

В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р ₂ и отрицательного заряда в базе n ₁ переход П₃ смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

На рисунке 7.7 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n ₁ и р ₂.

Величина падения напряжения в прямом участке ВАХ составляет прямое напряжение на трех прямо смещенных p‑n переходах и имеет величину порядка 1‑2 вольт.

Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет вид, приведенный на рисунке 7.7, когда на всех p‑n переходах прямое смещение, на П₁ и П₂ за счет внешнего напряжения, и на П₃ за счет объемных зарядов в базах Б₁ и Б₂.

Рис. 7.7. Зонная диаграмма и токи тиристора в открытом состоянии (везде прямое смещение)

Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния: малый ток, большое напряжение, высокое сопротивление и большой ток, малое напряжение, малое сопротивление. Переход тиристора из «закрытого» в «открытое» состояние связан с накоплением объемного заряда в базах Б₁ и Б₂ из-за роста значения коэффициента передачи эмиттерного тока α и коэффициента умножения М.

То есть рост α, М с ростом тока J и напряжения V _G в тиристоре является причиной перехода тиристора из состояния “закрытого” в состояние “открытого”.

В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток уменьшить до значения I _у, то в результате рекомбинации избыточные заряды в базах уменьшатся, р‑n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р‑n переходах, уменьшатся коэффициенты передачи α и тиристор перейдет в закрытое состояние.

Таким образом, тиристор в области прямых смещений (прямое включение) является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током, и наоборот.

7.5. Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

Как уже отмечалось ранее, зависимость коэффициента передачи эмиттерного тока α от напряжения, приложенного к тиристору, является причиной переключения тиристора. Рассмотрим, какие физические механизмы могут обеспечить такую зависимость. В области малых токов основная причина зависимости α от тока I связана с рекомбинацией в эмиттерном переходе. При наличии рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерного перехода прямой ток такого перехода в области малых прямых смещений – рекомбинационный J _рек. Зависимость этого тока от напряжения экспоненциальная, но показатель экспоненты в два раза меньше, чем для диффузионного тока J _pD. Напомним, что эти процессы подробно рассматривались в разделе 4.3.2.

По мере роста прямого напряжения на p‑n переходе диффузионная компонента тока J _pD начинает превалировать над рекомбинационной. В терминах эффективности эмиттера это эквивалентно возрастанию эффективности эмиттера, а следовательно, и увеличению коэффициента передач α = γ·κ. На рисунке 7.6 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов – рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера, а на рисунке 7.8 – типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I _э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p‑n перехода.

Рис. 7.8. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I _э при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ p‑n переходов

7.6. Зависимость коэффициента М от напряжения V _G. Умножение в коллекторном переходе

Другой физический механизм, приводящий к накоплению объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавинным умножением в коллекторном переходе. При больших значениях обратного напряжения на p‑n переходе величина электрического поля Е в области пространственного заряда может приблизиться к значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка набирают энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника qλE > Е _g, и вызывают генерацию новой электронно‑дырочной пары. Это явление аналогично лавинному пробою в стабилитронах.

Если М – коэффициент ударной ионизации, определяемый как количество носителей, рожденных при лавинном умножении одной частицей, то М описывается эмпирической формулой:

, (7.6)

где U _М – напряжение лавинного пробоя, а значения коэффициента n для Ge, Si равно 3.

Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту коэффициента передачи и величине коллекторного тока.

Таким образом, возвращаясь к вольт‑амперной характеристике тиристора, приведенной на рисунке 4.2, можно отметить следующие особенности различных участков ВАХ в области прямых смещений. В состоянии «закрыто», по мере роста напряжения на тиристоре 1-2, в последнем растут коэффициенты передачи эмиттерного тока α или коэффициент умножения M в коллекторном переходе. В точке переключения 2 выполняется условие M (α ₁ + α ₂) = 1, и начинается процесс накопления объемных зарядов в базах тиристора. Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением 2-3, не наблюдаемый на статических ВАХ, как раз связан с формированием этого объемного заряда в базах тиристора. Время накопления заряда и есть время переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто». Участок 3-4 характеризует открытое состояние тиристора. На этом участке все три p-n перехода смещены в прямом направлении и сопротивление тиристора мало и составляет десятки Ом.