Зонные диаграммы 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 n₁, p₂ тиристора.

Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α₂ электроны, инжектированные из n₂‑эмиттера в р₂‑базу, диффундируют к р-n переходу коллектора П₃, проходят его и попадают в n₁-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₁. Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n₁‑базы, образуют отрицательный избыточный заряд.

Инжектированные дырки из эмиттера р₁ в базу n₁ диффундируют к р‑n переходу коллектора П₃, проходят через него и попадают в базу р₂. Дальнейшему их продвижению препятствует потенциальный барьер эмиттерного перехода П₂. Следовательно, в базе р₂ происходит накопление избыточного положительного заряда.

В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р₂ и отрицательного заряда в базе n₁ переход П₃ смещается в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре.

На рисунке 2.3 приведена зонная диаграмма тиристора с накопленным объемным зарядом в обеих базах n₁ и р₂.

Величина падения напряжения в прямом участке ВАХ составляет прямое напряжение на 3-х прямо смещенных p-n переходах и имеет величину порядка 1‑2 вольт.

Зонная диаграмма тиристора в открытом состоянии имеет следующий вид, 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. 2.3. Зонная диаграмма и токи тиристора в открытом состоянии (везде прямое смещение)

Таким образом, тиристор имеет 2 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 закрытого в открытое состояние.

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 его прямому 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.

2.3. Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера

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.

По мере роста прямого напряжения на p-n переходе диффузионная компонента тока J_pD начинает превалировать над рекомбинационной. В терминах эффективности эмиттера γ, это эквивалентно возрастанию эфективности эмиттера, а следовательно и увеличению коэффициента передачи κ. На рисунке 2.2 показана зонная диаграмма эмиттерного перехода, которая иллюстрирует конкуренцию двух токов – рекомбинационного и диффузионного в токе эмиттера, а не рисунке 2.4 – типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I_э при наличии рекомбинационных центров в ОПЗ p-n перехода.

Рис. 2.4. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера I_э при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ p-n переходов

2.4. 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 электрон или дырка набирает энергию qλE, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника qλE > Е_g и вызывает 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

,

где U_М –напряжение лавинного пробоя, а значение 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.