Г 37 Тиристоры: Пер. с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1985. —328с., ил.
В пер. 1 р. 70 к. 40 000 экз.
Рассмотрены физические процессы и свойства различных модификаций тиристоров. Обсуждаются различные конструктивные решения, направленные на улучшение параметров тиристоров; свойства тиристоров с более сложной конструкцией, двунаправленных диодных и триодных тиристоров, фототиристоров и др. Автор — профессор Института электротехнических, материалов Западно-Берлинского технического университета.
Для инженеров и научных сотрудников, студентов, специализирующихся в области разработки и применения полупроводниковых приборов.
ПРЕДИСЛОВИЕ ПЕРЕВОДЧИКА
Приборы силовой электроники, а среди них в первую очередь тиристоры, составляют элементную базу современной электротехники. Достоинства этих приборов — высокий КПД, малые габариты, отсутствие старений* и движущихся частей, стабильность характеристик и высокая надежность — обеспечили широкое проникновение преобразовательных устройств на их основе практически во все основные области техники и прежде всего в транспорт, энергетику и металлургию. Тиристоры — бесконтактные управляемые ключевые элементы — уникальны хотя бы потому, что они наряду с диодами охватывают весь диапазон токов до килоампер и работают при напряжениях порядка нескольких киловольт. Возможности их исчерпаны не полностью, и в ближайшее время можно с уверенностью говорить о появлении приборов на токи 5—10 кА и напряжения свыше 10 кВ. Примечательно то, что потребителям регулярно поступают новые виды компонентов силовой электроники. Достаточно назвать запираемые (полностью управляемые) тиристоры, тиристоры с комбинированным выключением, фототиристоры, тиристоры-диоды, основу которых составляет тиристорная р-п-р-п-структура, и др.
Интерес к этим приборам постоянно растет, и за последнее время появился ряд книг, которые посвящены детальному рассмотрению специальных видов тиристоров или их расчетам. К ним следует отнести книги Ю. А. Евсеева «Полупроводниковые приборы для мощных высоковольтных преобразовательных устройств», Энергия, 1978, И. В. Гре-хова, И. А. Линийчука «Тиристоры, выключаемые током управления», Энергоиздат, 1982, «Расчет силовых полупроводниковых приборов» (под редакцией В. А. Кузьмина), •энергия, 1980. Другие работы, как, например, книги А. Блихера «Физика тиристоров» (пер. с англ.), Энергоиз-Дат, 1981, Ю. А. Евсеева, П. Г. Дерменжи «Силовые полупроводниковые приборы», Энергоиздат, 1981, ограничива-1*
ются в основном качественным рассмотрением процессов в тиристорах с приведением конечных формул.
Книга В. Герлаха, известного специалиста в области полупроводниковых приборов, совмещает достоинства и тех, и других. Во-первых, это наиболее полный труд по физическим процессам в тиристорах. Во-вторых, изложение преследует решение дидактической сверхзадачи: от простого к сложному, с изложением различных подходов к решению однотипных задач и, в результате, точная оценка области применимости того или иного метода. Примером этому является анализ переходных процессов методом заряда и путем решения уравнения непрерывности.
Своеобразие изложения наложило определенные трудности на перевод с точки зрения принятой в нашей стране терминологии. Поэтому мы сочли необходимым сохранить при переводе некоторые специфические выражения, используемые автором, но не принятые в отечественных терминологических стандартах. Это, прежде всего, термин «блокирующая способность» при объяснении запирающих свойств тиристора как в прямом, так и в обратном направлении и др.
Большим достоинством книги В. Герлаха в отличие от известных переводных книг по тиристорам является то, что при работе над ней автор широко использовал работы советских специалистов, по возможности сохранив принятый там подход. Это, безусловно, облегчит работу читателя (а им может быть и инженер, и аспирант, и студент)
над книгой.
Конечно, книга В. Герлаха не может претендовать на полноту изложения хотя бы потому, что приборы силовой электроники продолжают интенсивно развиваться и с момента издания книги появились сообщения о новых разновидностях приборов (мощные полевые приборы, оптоси-
мисторы и др.).
Глава, посвященная двунаправленным тиристорам (три-акам или симисторам), изложена недостаточно полно. Более подробно читатель может ознакомиться с этим вопросом в книгах В. Е. Челнокова и Ю. А. Евсеева «Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов»; Энергия, 1973 и Ю. А. Евсеева, П. Г. Дерменжи «Силовые полупроводниковые приборы», Энергоиздат, 1981.
Ю. А. Евсеев
ПРЕДИСЛОВИЕ
Растущее значение тиристоров в электронике, особенно в электронике больших мощностей, требует от разработчиков приборов и от специалистов по их применению прочных знаний в области физики приборов и представлений о современном состоянии этой области техники. Тому и другому способствует эта книга. Добавим также, что она дает возможность читателю найти удобный подход к этой области знаний. В качестве предварительной базы необходимо лишь знание основных положений физики полупроводников, в особенности работы транзисторов.
Материал книги не предъявляет никаких особенных требований к математической подготовке читателя. Достаточно знания дифференциального и интегрального исчисления, а также теории функций комплексных переменных.
Во введении дается объяснение основных свойств тиристоров на основе транзисторной эквивалентной схемы. Особое внимание уделяется рассмотрению переходных процессов. Многолетний опыт преподавания показал, что таким образом легче удается избежать основных трудностей в понимании физических процессов, в частности процессов при смене полярности напряжения на центральном переходе.
В следующих главах рассматриваются статические характеристики при прямой и обратной полярностях, а также теория проводящей ветви вольт-амперной характеристики в открытом состоянии, значительное место уделяется динамическим характеристикам, так как они имеют особое значение для практического использования тиристоров. Сравниваются различные приближенные методы, как, например, метод заряда, с более точными методами. Проведены подробные исследования процессов включения, происходящих как в продольном, так и в поперечном направлениях.
Специальная глава посвящена таким приборам, как ди-ак, триак, запираемый тиристор и фототиристор. Наряду
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие переводчика ........... 3
Предисловие............... 5
Предисловие ко второму изданию......... 6 •
Введение.............. 7
Главапервая : Принцип действия тиристора
1.1. Эквивалентная схема тиристора , . ,..... 11
1.2. Критерий переключения.......... 12
1.3. Зависимость анодного тока от времени ,.,.,. 14
1.4. Переход от закрытого состояния к проводящему , . , 19
1.5. Стационарное проводящее состояние....... 24-
1.6. Статическая вольт-амперная характеристика . . , . 27 -
1.7. Особые точки вольт-амперной характеристики .... 34
1.8. Экспериментальная проверка транзисторной модели тиристора 42
Глававторая
Статические характеристики тиристоров при прямом смещении
2.1. Закрытое состояние........... 46
2.2. Распределение потенциалов ......... 49
2.3. Взаимодействие р-и-переходов........ 52
2.4. Баланс зарядов ............ 54
2.5. Уравнение вольт-амперной характеристики ...... 56
2.6. Умножение носителей заряда......... 59
2.7. Графическое построение вольт-амперной характеристики , 62
2.8. Уравнение статической вольт-амперной характеристики . .71
Главатретья
Теория открытого состояния
3.1. Основные предпосылки . ,........ J9
3.2. Модель p-i-n-диода..........• °*
3.3. Анализ проводящей ветви вольт-амперной характеристики _ тиристора.............. °*|
3.3.1. Участок 1—низкий уровень инжекции в обеих базах . 89
3.3.2. Участок 2 — низкий уровень инжекции в р-базе и вы- пп сокий уровень инжекции в п-базе...... 90
3.3.3. Участок 3 — высокий уровень инжекции в обеих базах 8*
ждана четвертая Блокирующая способность тиристора
4.1. Блокирующие свойства при обратном напряжении , . , 97
4.1.1. Распределение потенциала....... , 97
4.1.2. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики , . 100
4.1.3. Ограничение блокирующей способности .... 102
4.1.4. Оптимизация блокирующих свойств ..... 105
4.2. Блокирующие свойства тиристора в прямом направлении . 108
4.3. Улучшение блокирующей способности в прямом направлении
с помощью короткозамкнутого эмиттера . . . . . . НО
4.4. Влияние поверхности полупроводника на блокирующие свойства прибора.............ИЗ
4.4.1. Идеальная и реальная поверхность полупроводника . ИЗ
4.4.2. Поверхностный пробой......... И7
4.5. Мероприятия, исключающие поверхностный пробой . » , , 119
4.5.1. Профилирование края структуры (фаска) .... 120
4.5.2. Ограничительное кольцо......., 126
Глава пятая
Методы анализа переходных процессов
5.1. Квазистационарное приближение........ 128 .
5.2. Баланс токов в переходных режимах ...... 130
5.3. Переходная характеристика......... 132
5.4. Частотная характеристика.......• . 135
5.5. Метод заряда............. 136
5.6. Сравнение метода заряда с ранее рассмотренными методами анализа............... 142
5.7. Вывод уравнения тока и уравнения непрерывности для нестационарных режимов........ 143
Глава шестая Переходный процесс включения
6.1. Качественное описание......... , 152
6.1.1. Условие включения......, . , . . 152
6.1.2. Накопление заряда......., , , 153
6.1.3. Изменение тока и напряжения....... 156
6.2. Переходный процесс включения при низком уровне инжекции в базовых областях .......... 157
6.2.1. Постановка задачи.......... 157
6.2.2. Метод решения . .........159 f
6.2.3. Изменение тока и концентрации носителей заряда в симметричной структуре тиристора.....161,
6.2.4. Установление стационарного распределения носителей заряда.............169
6.2.5. Установление напряжения при переходе к стационарному состоянию...........174
6.3. Анализ процесса включения при высоком уровне инжекции
в п-базе .............. 176
6.3.1. Постановка задачи.......... 176
6.3.2. Вывод уравнения анодного тока...... 178
6.3.3. Временная зависимость концентрации носителей заряда
и напряженности поля в п-базе ....... 181
6.3.4. Падение напряжения на толще п-базы , . . . 184
6.3.5. Влияние толщины базовой области на падение напряжения в /г-базе........... 184
6.3.6. Переход к стационарному состоянию проводимости , 188
6.4. Анализ процесса включения методом заряда .... 193
6.5. Учет дополнительных эффектов, влияющих на процесс включения ................ 196,
6.5.1. Учет зависимости коэффициентов передачи тока от тока 196
6.5.2. Модуляция толщины базы . . . . , t . . 198
6.5.3. Дрейфовое поле в р-базе . . . . . . . . 199
Глава седьмая
Особенности включения тиристора большой площади
7.1. Введение.............. 1"
7.2. Область первоначального включения....... 203
7.3. Изменение распределения носителей заряда и потенциалов во времени............... 210
7.4. Процесс распространения включенного состояния . . . 215
7.5. Модели распространения включенного состояния , . . 219
7.5.1. Диффузионная модель..... , 219
7.5.2. Дрейфовая модель.......... 223
7.6. Экспериментальные исследования распространения включенного состояния............) 224
7.6.1. Методы измерения.......... 224
7.6.2. Влияние тока на скорость распространения включенного состояния............ 227
7.6.3. Влияние элементов конструкции...... 228
7.7. Влияние распространения включенного состояния на динамические свойства тиристора ......... 231
7.8. Методы повышения скорости нарастания анодного тока при включении тиристора........... 232
7.8.1. Принципы последовательного включения .... 233
7.8.2. Реализация последовательного включения .... 234
7.8.3. Полосообразный управляющий электрод .... 238
Глававосьмая Переходный процесс выключения
8.1. Введение............• • 239
8.2. Эффект накопления носителей заряда ...... 241
8.3. Параметры, характеризующие процессы выключения . . 244
8.4. Мгновенная коммутация тока.......« 249
8.5. Анализ времени выключения методом заряда , , . . 252
8.5.1. Постановка задачи.......... 252
8.5.2. Первый этап накопления........ 253
8.5.3. Первый этап спада .......... ~j~
8.5.4. Второй этап накопления........ 257
8.5.5. Второй этап спада.......... 259
8.5.6. Время выключения . ........ ~°у
8.6. Уточненный анализ процесса выключения..... ?°}
8.6.1. Введение............. 2Ь1
8.6.2. Постановка задачи......... ?™
8.6.3. Метод решения ........... ^™
326
8.6.4. Анализ распределения концентрации дырок в общем случае............. 267
8.6.5. Распределение концентрации дырок при различных начальных условиях . . . . ^ , , . . . 267
8.6.6. Временная зависимость тока....... 269
8.6.7. Сравнение с результатами, полученными методом заряда ........:...... 269
8.7. Процесс выноса носителей пространственным зарядом при высоком уровне инжекции в обеих базах..... 270
8.8. Способы уменьшения времения выключения..... 273
8.8.1. Уменьшение времени жизни носителей заряда . , 273
8.8.2. Увеличение плотности шунтировки эмиттерных переходов .............. 275
8.8.3. Приложение отрицательного управляющего сигнала . 276
Главадевятая
Полупроводниковые приборы на основе тиристорной структуры со специальной конструкцией управляющего электрода
9.1. Диодный тиристор (диак) ......... 279
9.2. Основные разновидности конструкций управляющего электрода, обеспечивающие включение двунаправленных тиристоров ........ ..... . 281
9.2.1. Общие требования "..,....!.! 281 -
9.2.2. Управляющий транзистор ,.....,, 281
9.2.3. Управляющий р-п-переход....... 284
9.2.4. Включение с помощью вспомогательного транзистора 286
9.3. Двунаправленный тиристор с четырьмя функциями управления (триак)...........< 287
9.4. Запираемый тиристор......'.'.'.'.'.'. 290
9.4.1. Управляющий ток, необходимый для выключения ,' 290
9.4.2. Коэффициент усиления при выключении .... 292
9.4.3. Время выключения........ \ 293
9.4.4. Особенности выключения реального тиристора' '. '. 295
9.4.5. Распространение процесса выключения по площади структуры тиристора .........., 296
9.4.6. Топология катодных ц управляющих областей . * 299
9.5. Фототиристор............. 300
9.5.1. Принцип действия • •..!.!.!! 300
9.5.2. Спектральная чувствительность ...,., 303
9.5.3. Источники излучения ......... 304
9.5.4. Чувствительность фототиристора ..»..'! 305
9.5.5. Включение мощных фототиристоров ,.',,, 309 ,
Список литературы ......... i , 313
Цена: 150руб.
