Способ переключения тиристора с обратной проводимостью Советский патент 1983 года по МПК H01L29/74 

Иаобретение относится к области попупроводниковой техншси, бопее конкретно к способам переключения мощных импупьо ных тиристоров, исзюпьзуемых при разработке систем питания мощных паэеров ускорителей электронов и т.п. Известен способ переключения тириотора, заключающийся в том, что в пепи управления между катодом и управмюадим электродом приклвдавают импупьс напряжения, вызывающий протекание прямого тока через катодный п р - переход ij. Инжектируемые этим перекодои электроны, пройдя узкий 1 -базовый слой ш. падают в широкий п-6азовый спой и вызывают встречную .инжекцию дырок р п эмиттером, что, в конечекы счете, приводит к переключению тиристора в проводящее состояние. Недостатком этого способа является локапт1зааия 1ф6иесса переключения в узкой области у границы между п р - . эмиттером и управляющим электродом, что не позволяет осуществлять быструю коммутатпо болыпой мощности. Наиболее близким к изобретению является способ переключения тиристора с обратной проводимостью, находящегося.в прямом блокирующем состоянии, дополнительным импульсом нахфяжения 2.. За счет высокой скорости нарастания импульса напряжения колпектор1а 1й переход генерирует больщой емкостной ток DC « /dt , однородно распределенный по ппощади. (Этот TQk вызывает однородную по площади инхекцию иттерных перехс .дов, и переключение начинается ro знач тельно .больщей площади, чем в аналоге. Недостатком этого способа явгшется то, что количество заряда, которое может быть введено в -базовые спои тиристор за время быстрого нарастания на1фяжения, не может .быть больще, чем количество заряда легирующей примеси в швроком tl -базовом слое. Действительно, щириш области объемного заряда крлпек ) при .напряжении пробоя U| составляет в 1фавильно сконструированном т-иристоре примерно 2/3 от ширины п базового споя W . Рабочего напряжение Ц « О,5 U(fl, а р асширение области объемного зартда при.росте напряжения от U до Um составляет.&L -0,7bt« -O,2Wt, , поэтому количество введённых -эмиттером, дырок в ответ Ш такоог расширение лЬ составляет О,2 Wn NJS (N,j - концентрация щ имеси в « -ciroe, ,5 - пдощадь прибора). Это копичёство ,по шрядку величины сравнимо с ческим зарядом вкшочения тиристора и поэтсалу не может обеспечить строе ri однородное включеню по всей рабочей площади, что сильно ограншивает величину и скорость к(И«1мутации мощности. 3tHM способом можно переключать как об1лчный тиристор, так и тиристор с о6рйтной проводимостью. Цель изобретения - увеличение кс мутируемой мощн с стиил скорости коммутаЦ1ЯИ тщэистора с обратной проводимостью. Указанная цепь достигается тем.чтов способе перекпючения тиристора с обратной хфоводимостью, находящегося в прямом блокирующем состоянии, прикладывается дополнительный вмпупьсо атного анодного напряжения, амплитуда и .длительность которого выбираются так, чтойьг амплитуда и дл|Ётельность обратцого тока удовлетворяли соотношению J oSp i2:%VVn;S. .- t . ... где «J обо - амплитуда обратного тока; , .-время начала протекания обра THOIX тока; -время скончания протекания обратно1Х5 тока; -заряд электрона; -ширина h -базовой области тиристора; в - рабочая площадь тиристора; средняя критическая кони вбтрация неравновесных носите пей в И -базовой области, достаточная для включен1Ш тиристора, а затем щ)ИК1гадь1вается импульс прямого напряжения. ;. На фиг. 1 изображено поперечное сучение структуры тиристора и блок -схема переключения; на фиг. 2 и 3 - переходные характеристики переключения (эпюры напряжевъя и тсжа). Структура содерзкит Т1фистор 1 с обратной проводимостью шунтирующие канапы 2, металлические контакты 3, иоточник энергии 4, накопитель 5, ключ 6, отсекающую индуктивность 7, нагрузку 8. Способ осуществляется следующим образом. К тиристору 1 с обратной проводимостью (см. фмг, 1) и р ti , литтеры которого имеют шуятвровку 6 виде кайалов 2, от и П -слоев к металлячесхвм хонтактшд 3, от источника энергии 4 прикидывается напряжение U | в щ)яMOM вапр впешга (плюсом на аводшай эпектроп). -Затем от вакотггепя 5-через ключ 6 прикладывают импупьс напряжения U О, в npoTtnaononoKHoM напраыгенин (момёш- времени i на фиг. 2). При атом И - р - структура Т1фвстора 1

оказывается о ещенвой в провсцяшем н 1фавпеш1И (момент времени t« ) в ч&рео нее Начинает щютекать ogp , т.е. начвнаетсж i onecc инжекции электронов ю и пырок в базовую Н-обдасть. Амплитуду тока 3о8р R длительность его протека в0обходимо выбирать так, чтобы сре р1няя концентрация введенных носитетелей в П -базовом слое, по крайней -мере.з на порядок превышала критическую КОН-) )1кр., необходимую для иниовиро1зания щхжесса переключения, т.е.

- г . . -., , ;. -.

J 3o5p 3i 10 NVh-&

,. : . ; - . .

J ндy тивнocть 7 препятствует протеканию тока в иэпи нагрузки 8. После протекания обр и разряда шнкрШггелЯ 5 к тдфистору 1 снова приклаг- 25 оывается импульа напряжения в прямом вй1:фав1юнии от истспника энергин 4 . кюмеит времени t ). Поскольку в И-баарЕюм слое к этому времени накоплен заряд, по крайней мере, на порядок боль- jo ше критического, тиристор быстро и одно.родво по всей шюишди переклкутается в {проводящее состояние. Это требование . анапогично тему, как в обычиом тиристот ре рекомеш уемый ток уПравле;ря должен прев лошть не менее чем на порядок ток управления - слфямления. Такая одн юдность переключения позволяет быстро коммутировать мощность, на 1-2 порядок большую, чем в прототипе. Для тчэго чтобы носители, инжектированные в п базовый слой при щютекании оВ, равно|мерно заполняли этот слой в районе коллектора, шунтирующие каналы 2 тиристо-ра 1 (см. фиг. 1) должны быть выпопн нены так, чтобы расстояние между их краями не превышало удвоенной толщвны этого слоя Wn ..

Способ кс шутапии осуществлен на т исторе с обратной проводимостью с рабочей тощадью 5 « 2О см , Wn «810 см, NKP« 1 и .шунтирующими каналами в .обоих крайвих переходах. Параметры нагрузки S, иоточника 4 и индуктивности 7 выбраны ;так, чтобы при иатфяжеЕив U, 2.i в ыепи ыог протекать щямой тчж кр в 5О кА., нарастающий за 10 мхе. Дне .тепьность протекания прямоугольного импульса обратного выбрана раввой vl МКС, чтобы доля (р, ответа влнющаяся в яехсь югрузки,. была мала. Для того чтобы обеспечить средиияо ковн центрапию носителей в П -базовом слое, равной 1О, нербходимо создать.tiSp)Wn b lC ic$ CtO A. Оюсоб-обеспечивает коммутапвю Тока 5ОкЛ со скоростью нарастан 5 1О А/МКС, что на поряд ж выше, чем при коммутации тиристора иэвестнымспо собш(, и может быть рек(я еидован шв Пер ключення импульсных ти ристоров, иопользуемых в системах питания мощных лазер ю.

ITM

«Ч

X

/

Фог.

СГЮШБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТИРИСТОРА С ОБРАТНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ, налсооятаегося в прямом бпоквн руюшем состоянии, допопшггепьным .. пупьсоы иапряжения, о т п и ч а ю ш и ft с я тем, что, с цепью увепичевиа коммуьттфуемой мощности и скорости ее комму твшга, к тиристору с обратной проводимостью прикяадывают дополн|ггепьнь1й ймпупьс обратного анодного напряжения, амплитуду и дпитепьность которого выбирают так, чтобы амплитуда и дпигепьность обратного тока удовлетворяли соотношеншо . itii . где Зо5р- - амплитуда обратного тока; t, - время начала протека тя обратвого токе; i.2 - время окончания -ттротекания обратного тока; заряд электрона; Wr - w -базовой области (Л TBpecTojpa; 5 - i рабская шющадь тиристора; с N kp - средняя крнтвчеосвя концентрация веравврвесных носит пей в П -базовой области, достаточная для включения Т1фвстора, а затем прикладывается импульс прямого шяряжения. 00 9д со СО