Расчет и проектирование динистора (стр. 5 из 8)
Аналитическая расшифровка условия границы участка II dU/dI=0 через параметры тиристора приводит к сложному выражению. Поэтому часто в первом приближении считают, что точки b и с на ВАХ (см. рис. 1.4) совпадают, т.е. для точки с приближенно выполняется условие (
+ 
) = 1.Участок III характеризует изменение тока в тиристоре после точки удержания с. На этом участке все три перехода имеют прямое включение и тиристор можно рассматривать как три диода, включенные последовательно. ВАХ такой системы (участок III) должен быть более крутой, чем у обычного диода. Участок III с большими токами и малым напряжением соответствует состоянию тиристора «открыто».
Участок IV соответствует обратному включению тиристора (полярность источника питания на рис. 1.2 изменена на обратную). В этом случае все переходы имеют обратное включение и вся цепь эквивалентна последовательному включению трех диодов с обратным напряжением. Очевидно, что участок IV ВАХ будет походить на обратную ветвь ВАХ обычного диода, а при достаточно большом напряжении возможен пробой одного из переходов.
2. РАСЧТ ПАРАМЕТРОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТИРИСТОРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ: ДИНИСТОРА
2.1 Некоторые параметры динистора
1. Напряжение включения (Uвкл) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние (от 10 до 2500В).;
2. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (Uпp = 0,5÷1В).Ток включения Iвкл;
3. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается Іудерж;
4. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор Iоткл.;
5. Максмально допустимая скорость наростания прямого напряжения (dU/dt)max;
6. Максмально допустимая скорость наростания прямого тока (dI/dt)max;
7. Время включения tвкл;
8. Время задержки tз;
9. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» І у вип;
10. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена» Uу вип.
11. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности;
12. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
2.2 Расчет параметров динистора
Исходные данные:
Iср.= 0,2А
Iимп.= 2 А
Uпр. откр.= 1,5 В
Uобр.= 10 В
I удерж.= 3 мА
Повторяющееся импульсное обратное напряжение (Uoбp.max) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл = Uoбp.max..
Uoбp.max определяется по формуле:
Uoбp.max= k·inf(Uпер,Uпроб) (2.1)
где inf – меньшее из значений Uпер и Uпроб
k = 0,8 для отечественных силовых приборов
Зная Uoбp.max можно определить напряжение переключения при max допустимой температуре структуры транзистора (125оС)
(2.2)По формуле 2.2 найдем Uпер для прибора, исходные данные которого соответствуют динистору КН102А типа (подача на динистор обратного напряжения выше допустимого Uобр.макс. может вывести его из строя. Для всех динисторов и Uобр.макс. составляет 10 В, при этом ток Iобр.макс. не превышает 0,5 мА).
Чтобы определить толщину подкладки необходимо рассчитать ширину объемного заряда Wn0 при напряжении пробоя:
(2.3)где ρ – удельное сопротивление, Ом·см.
Здесь ρ - удельное сопротивление, обычно измеряемое в единицах [Ом·см]. Для типичных полупроводников, используемых в производстве, величина удельного сопротивления находится в диапазоне ρ = (1 ÷ 10) Ом·см.
Таблица 2.1 Данные расчёта ширины объемного заряда
 | 5,2 | 7,35 | 9 | 10,4 | 11,63 | 12,74 | 13,76 | 14,71 | 15,6 | 16,4 |
| ρ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Кремний, электронного типа проводимости, легированный фосфором имеет удельное сопротивлением ρ = 4,5 Ом·см.
I=f(Eпр) (2.7)
Ток включения у всех динисторов серии составляет 5 мА.
Мы можем убедится что тиристор имеет S образную ВАХ:
Расчет ВАХ проводится по формуле:
UA= U1-U2+U3 (2.8)
Прямые напряжения
и 
малые, так что можно приближенно при прямом включении считать U 
. 
Рисунок 2.1 – Вольтамперная характеристика динистора
2.3 Выбор полупроводникового материала
Отправной точкой в процессе разработки тиристоров является выбор исходного материала, а именно самого полупроводника. В качестве материала, использующегося в настоящее время для создания мощных тиристоров, служит кремний или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легированный фосфором кремний n-типа. В некоторых случаях применяется также эпитаксиальный кремний, который будет рассматриваться позднее. Однако стоит изучить причины, приведшие к такому выбору материала, и выяснить, является ли это подходящей альтернативой.
Существуют три типа полупроводниковых материалов, которые используются для производства мощных тиристоров: германий, кремний и арсенид галлия. Полупроводник должен удовлетворять следующим основным требованиям:
1. Время жизни неосновных носителей должно быть большим для обеспечения незначительного напряжения тиристора в открытом состоянии.
2. Необходимо обеспечить достаточную глубину залегания диффузионных переходов, чтобы они могли выдерживать высокое блокирующее напряжение.
Поскольку мощный тиристор имеет большие размеры, полупроводниковый материал должен обладать равномерным распределением донорной примеси и совершенной кристаллической структурой.
Для достижения высоких значений блокирующего напряжения необходимо обеспечить низкую концентрацию примеси.
Для уменьшения напряжения в открытом состоянии прибора требуется высокая подвижность носителей заряда.
Материал должен выдерживать высокую температуру и иметь большую теплопроводность [4].
Полупроводником с большой подвижностью носителей является германий, его применение ограничено из-за высокой собственной концентрации носителей и малой ширины запрещенной зоны. Малая ширина запрещенной зоны приводит к большой утечке тока при повышении температуры, а собственная концентрация носителей ограничивает напряжение лавинного пробоя. Низкая температура плавления не позволяет получить переходы с большой глубиной диффузионного слоя. В германии легко формируется сплавной р-n-переход, что используется для диодов, но неприемлемо для тиристоров.
Кремний - это полупроводник с высокой температурой плавления, низкой собственной концентрацией носителей, умеренно широкой запрещенной зоной и высоким временем жизни носителей заряда. Подвижность носителей в кремнии уступает по абсолютному значению, как германию, так и арсениду галлия, что приводит к большему падению напряжения во включенном состоянии. Как бы то ни было, это адекватно компенсируется большим временем жизни неосновных носителей и хорошими термическими свойствами материала. Кроме перечисленных преимуществ кремния существует современная промышленная технология его изготовления и возможность введения фосфора методом нейтронной трансмутации [3].
Процесс легирования кремния с помощью нейтронной трансмутации ограничивается кремнием n-типа, так как в этом случае образуется только примесь фосфора. Однако это обстоятельство не создает никаких дополнительных проблем, поскольку большинство тиристоров большой мощности производится из кремния n-типа. Из такого материала легче образовать глубокий диффузионный слой р-типа, используя быстродиффундирующие примеси, например галлий или алюминий. Заметим также, что время жизни неосновных носителей заряда в кремнии n-типа больше, чем в кремнии р-типа.
Исходя из вышеизложенного в качестве материала для тиристоров больше всего подходит кремний. Изготовители получают кремний методом зонной плавки с ориентациями (111) и (100). Ориентация (100) неприменима, когда используются сплавные контакты с эвтектическим силумином, поскольку в приборах большой мощности может происходить неравномерное проникновение Аl с этих контактов в кремний.
Следует выбрать тип легирующей примеси и толщину материала. Применительно к кремнию в качестве основного параметра предпочтительно выбирают сопротивление, а не уровень концентрации примеси, так как сопротивление может быть легко измерено.