в момент перехода прямого тока через нуль в и-области структуры концентрация дырок Pq равна концентрации электронов Ио- После to начинается выключение СПП, что иллюстрирует рис. 5.3, б.

Процесс вьпслючения СПП можно разбить на три интервала [5.1].

Интервал 1 начинается от пересечения током нуля при t=0 и заканчивается тогда, когда р-п переход очищен от избыточных носителей, т. е. когда концентрация pi (рис. 5.3, б) на левой границе {х=0) структуры становится равной концентрации основных носителей No- Предполагается, что граничная концентрация справа не достигает No и что распределение концентрации ограничено по верхнему пределу. Обратный ток /„ нарастает линейно, и падение напряжения на р-п переходе остается малым и почти постоянным при определенных условиях (большой обратный ток, слаболегированная и-база).

По мере нарастания обратного тока увеличивается градиент концентрации dp/dx накопленного заряда дырок на границах и-базы. На левой границе

fdp\ jpR .

на правой границе

где X-координата; jpR-плотность дырочного обратного тока

Трд=/„, где 5-площадь структуры, А/см; -заряд

носителя (= 1,6 -10 - Кл); Dp-коэффшщент диффузии дырок (12,5 см /с для Si); ]ip-подвижность дырок [500 см/(с-В) для Si]; \i„-подвижность электронов [1200 смДс-В) для Si].

При t=0 ток не протекает, распределение плотности дырок характеризуется прямой линией ро. Затем начинает протекать возрастающий обратный ток. Как следует из вьппенаписанных уравнений, градиент концентрации дырок на границах и-базы должен увеличиваться с ростом обратного тока.

Это видно из диаграммы рис. 5.3, б, где градиент концентрации показан наклоном кривых распределения плотности остаточного заряда. Градиент концентрации возрастает в ходе процесса от />„ до Pl слева и от р ДО р, справа. .

В центральной части структуры концентрация снижается от Ро до р„ вследствие рекомбинации по закону

р=Роехр(- т„), т„»/„.

В момент ti градиент концентрации слева достигает максимума; этот момент соответствует амплитудному значению 168

обратного тока /„. На границе между п- и «"-областями снижение концентрации и рост градиента {dp/dx) идут медленнее и не достигают критических значений.

Поскольку градиент концентрации на левой границе п-области достиг максимума, возрастание обратного тока прекращается. Интервал 1 выключения СПП заканчивается.

Интервал 2 начинается в момент ti и характеризуется спаданием обратного тока и быстрым нарастанием обратного напряжения, равного U-L{dirr/dt) (ток надает, di„/dt отрицательно). В течение 2-го интервала происходит дальнейшее снижение концентрации в центральной части за счет реком-i бинации и на границах вследствие диффузии. Поскольку максимальная концентрация в средней части убывает, соответственно становится короче часть области, характеризующейся линейной концентрацией дырок, при этом граница области накопленного заряда отодвигается от р-п перехода (рис. 5.3, б, кривая ti).

Область, занимаемая накопленным зарядом и содержащая достаточно высокие концентрации электронов и дырок, обладает высокой проводимостью, и падение напряжения в ней, связанное с протеканием через нее обратного тока, мало. Таким образом, все напряжение, возникающее на структуре СПП, прикладывается к относительно узкому зазору между р-п переходом и левой границей области объемного заряда. Здесь могут возникнуть большие градиенты электрического поля, ведущие к лавинному пробою и смыканию обедненной области с областью объемного заряда, при этом в относительно тонкой области выделяется значительная мощность Рпот="rrrr, выделение которой может концентрироваться на отдельных i участках площади структуры. Это может повести к повреж-1 дению СПП, несмотря на то, что мгновенное значение ; напряжения м„ в этот момент значительно ниже классификационного напряжения данного прибора.

Быстродействующие СПП, имеющие меньший накопленный заряд, а также приборы с лавинной характеристикой, обладающие более равномерным распределением обратного тока, имеют повышенную стойкость к быстрому нарастанию обратного напряжения при наличии остаточного заряда [5.7]. Когда начало спада концентрации носителей совпадает с максимумом концентрахщи остаточных носителей, т. е. линейная часть в области максимальной концентрации исчезает, интервал 2 выключения СПП заканчивается.

Интервал 3 является окончанием периода выключения. Поскольку начало возникновения градиента носителей совпадает с максимальным значением концентрации носителей (рис. 5.3, кривая >t2), уменьшение концентрации носителей теперь непосредственно ведет к снижению градиента концентрации

и ограничению обратного тока. Вместе с тем область накопленного заряда под действием электрического поля передвигается к р-п переходу.

В случае небольших скоростей спадания прямого тока и для тонких структур СПП интервал 2 может отсутствовать, т. е. интервал 3 наступает непосредственно после 1-го.

Анализ физических явлений в структуре СПП при выключении позволяет сделать следующие выводы, существенные при проектировании ограничительных устройств:

1) наличие накопленного заряда неосновных носителей влияет на вентильные свойства СПП. Приложение крутонараста-ющего обратного напряжения при наличии заряда неосновных носителей, например при быстрой коммутации или при поступлении перенапряжения обратного знака на интервале протекания прямого тока, может вести к пробою структуры СПП. Вероятность повреждения зависит от длительности приложения импульса напряжения, при микросекундных длительностях пробой не наступает. Быстродействуюпще и лавинные СПП более устойчивы к данному воздействию;

При применении низкочастотных СПП следует учитывать не только амплитуду обратного восстанавливающегося напряжения, но и скорость его нарастания. Здесь предпочтительными являются резонансные демпфирующие, контуры с затуханием, обеспечивающим к моменту следующей коммутации снижение амплитуды колебаний до 5-10% исходного значения.

Применение апериодических ЛС-контуров целесообразно для быстродействующих СПП. В этом случае достигается большее снижение амплитуды восстанавливающегося напряжения, но имеет место крутое нарастание напряжения на фронте;

2) несмотря на то что в течение интервала 1 не выделяется значительных потерь в структуре СПП, на этом интервале происходит накопление энергии в индуктивности контура коммутации. Эта энергия вьщеляется в структуре прибора в течение интервалов 2 и 3.

Энергия, выделяющаяся в структуре СПП за один цикл без учета действия демпфирующей ЛС-цепи, определяется

00 00 О)

W= J {U-Ldijdt)i„dt= f UJ„dt- jLdiJdti„dt =

" =U4Q; + Q)U,Q„, . \ (5.4)

где Q„-накопленный заряд СПП.

Мощность потерь при этом •

P=wf,

где /-частота коммутации; 170