книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

Таким образом, к моменту завершения накачки t=tn в приколлекторной области сосредоточивается Ь (&-J-1) протекшего через структуру заряда QR. Остальная 1/b-f-l часть распределяется вдоль тг-базы, а при определенных условиях и в слое <^2 в соответ­ ствии с (14) и (15); в приколлекторном плазменном слое РВД, выполненного на основе кремния (&= ==jxrt/jxp?^2.8), сосредоточено примерно 3/4 накачан­

ного заряда.

Р а с ч е т п р о ц е с с а в к л ю ч е н и я РВД. В конце процесса накачки в транзисторных элемен­ тах формируется распределение плазменных слоев, показанное на рис. 3. Такое же распределение возни­ кает и в расположенных рядом тиристорных элемен­ тах (рис. 4). Затем сердечник разделительного дрос­ селя насыщается и дроссель перестает разделять си­ ловую и управляющую цепи. Смещение на приборе вновь меняет знак, и начинается процесс включения тиристорных элементов. К моменту приложения сме­ щения включающей полярности UF > 0 в тг-базе ти­ ристорных секций содержится заряд накачки QR. Этот заряд распределен по диффузионным слоям и оР2 и вдоль дрейфовой амбиполярной волны <#°г. При про­ пускании импульса силового тока JF слой <^°2 про­ должает пополняться плазмой за счет полевого пере­ распределения ранее запасенных электронов в и $*г и за счет инжекции дырок р +-эмиттером тири­

стора. Слой отдает свои дырки в p-базу РВД, вызывая встречную инжекцию электронов из тг+- эмиттера. Баланс заряда в приколлекторном плаз­ менном слое в начале пропускного периода всегда отрицателен и становится положительным только впоследствии, по мере развития инжекции в катод­ ном составном транзисторе. Таким образом, при не­ которых условиях возможен режим без выражен­ ного истощения слоя с$*г Это является принципиаль-

Рис. 4. Процесс включения тиристорных элементов РВД.

а —»эквивалентная схема силового контура в период i > fд; б —. ди­ намика цлаэменных олоев на различных этапах процесса,

ным для устойчивости процесса включения РВД, поскольку истощение слоя сопровождается сме­ щением коллекторного перехода в запорном направ­ лении и резким возрастанием напряжения на при­ боре; дальнейший процесс включения будет контро­ лироваться обычным тиристорным механизмом с тен­ денцией к локализации. Поэтому для однородной коммутации больших токов необходим достаточно вы­ сокий уровень накачки для того, чтобы управляющий плазменный слой образовал совместно с р-базой, тоже залитой плазмой, неистощающийся плазмен­ ный резервуар, являющийся эффективным источни­ ком электронов. Такой резервуар выполняет роль катодного эмиттера в диоде, и поэтому этот режим включения может рассматриваться как квазидиодныи. Условия реализации квазидиодного режима будут получены ниже. Последующий анализ прово­ дится в предположении, что реализуется именно этот режим. При включении на большей части тг-базы, как и в период накачки, соблюдаются усло­ вия амбиполярного квазинейтрального дрейфа плазмы, так что для £ > tR процесс модуляции про­ водимости тг-базы описывается уравнением (1).

Как было показано в [16], поведение амбилолярной дрейфовой волны обратимо по отношению к на­ правлению тока / (Л. Поэтому для £ > £« при изме­

движение в обратном направлении. В это же время плазменный слой инжектирует в образующийся промежуток «прямую» модуляционную волну oFf (рис. 4). Поведение этой волны тоже описывается уравнением (1), но граничное условие теперь должно моделировать «плазменный анод»:

(lfi)

Граница ^ между прямой $*j и peBepcnBnoii $ ьг

волнами, отступающая к диффузионному слою имеет минимальную концентрацию, равную кон­

Распределение концентраций и поля в отступаю­ щей реверсивной волне S*r следует из выражений (7) и (6), в которых следует положить:

Q[t) ~ Q R j ?dt — QR — QFy y

tR

Явная форма этих распределений имеет вид:

в интервале

Распределение концентрации и поля вдоль волны ^ находится из решения уравнения (1) с гранич­

ным условием (16):

и (21)— (22) совместимы только в период времени,

ных зарядов в тг-базе контролируется только вол­

и прямой волнах, найдем временную зависимость полного напряжения на толще тг-базы в период

для i > V

Для завершения картины дрейфового механизма модуляции проводимости тг-базы в период t^ > tR рассчитаем,*как и прежде,^мгновенный состав тока вдоль модулированного интервала. Этот состав вы-

Выбор аппроксимации активного режима оправ­ дан тем, что исследуемая ситуация (на грани истоще­ ния слоя характеризуется слабым насыщением коллектора составляющего я +-р-и-транзистора, т. е.

время '-'ftp а затем повторяет форму JF(ty Суммар­ ный баланс электронов в ^ сначала всегда отрица­ телен; С течением времени он может стать положи­ тельным только в том случае, если параметры струк­ туры удовлетворяют соотношению:

Это неравенство является необходимым условием квазистатического переключения РВД при дрейфо­ вом переносе через я-базу, но не является достаточ­ ным для реализации диодного режима на всем вре­ менном интервале. Действительно, при выполнении условия (29) временная зависимость полного заряда

QW) имеет минимум. Значение Qunn зависит от пара­ метров управляющего импульса, и при недостаточно интенсивной накачке может произойти хотя и вре­ менное, но полное истощение плазменного слоя

Уравнение (26) интегрируется в квадратурах, поскольку при известной зависимости JFy) правая его часть явно зависит от времени в соответствии с (27) и (28). Решение (26) имеет вид:

линейном нарастании тока JF= JF(t — tR) выраже­

В этом случае квадратурный критерий квазидиод­ ного режима (31) сводится к простому аналитическому условию для критического заряда накачки:

коэффициент усиления п+-р-п составляющего тран­ зистора а1= т*/д 1 для РВД па основе кремния дол­ жен быть больше 0.74, поскольку коэффициент уси­ ления р-п-р составляющего транзистора при полевом переносе через тг-базу равен ~0.26. Обычно a j^ O .9 ,

2•10~с с, так как при большей длительности габариты разделяющего дросселя получаются слишком боль­ шими. Тогда при плотности тока накачки /д, напри­ мер 100 А/см2, (?д = 2»10-4 Кл, если считать эмиттеры диода идеальными, и в рассматриваемом примере

(dJFldt)Kp= 5.7* 109 А/см2»с. Для прибора с рабочей площадью 20 см2 (dJpld t)^ ^ 1•105 А/мкс, т. е. на

два порядка больше, чем у обычных тиристоров. На рис. 5 показаны осциллограммы переключе­

ния РВД с рабочей площадью 4 см2. Эмиттеры ?г+-типа транзисторных элементов были выполнены в виде сетки перекрещивающихся полос шириной 50 мкм, расстояние между полосами (ширина тири­ сторных элементов) составляло 200 мкм, удельное сопротивление исходного кремния ря = 100 Ом» см, толщина тг-базы равна 200 мкм. Общая толщина p-базы, полученной совместной диффузией бора и алюминия с поверхпостной концентрацией соответ-

Рис. 5. Осциллограммы тока (.Z, 2) и напряжения (Г , 2') при коммутации РВД.

1, V — Qx = 120 ыкКл/см1; 2, 2' — QR = 60 мкКл/см’ .

ственно 2‘ Ю18 и 1 •1016 см“3, составляла 60 мкм. Приведенная толщина базы, не залитая плазмой прг,

из осциллограмм, на начальном участке dJpldt = 2 X XlO3 А/мкс*см2. Для кривых 1 (?д = 120 мкКл/см2 и (d/y/^ )Bp = 3.5*103А/мкс*см2, т. е. заведомо больше,

чем в эксперименте, и РВД включается в квазидиодном режиме. При уменьшении QR до 60 мкКл/см2 (кривые 2) {dJfldt)^ = 1.8 •103 А/мкс-см2, и условие

квазидиодного режима нарушается. На кривой тока наблюдается характерная задержка и соответствую­ щий резкий всплеск напряжения на приборе (кри­ вая 2'), свидетельствующий об истощении приколлекторного плазменного слоя и образовании объем-