58. Структура и принцип работы динисторов. Вах динистора

Динистор – диодный тиристор, имеет два электрода и катод. p₁-n₁-p₂-n₂ - четырёхслойная структура на GaAs или на Si. (Ge тиристоров не бывает).

Рис.15.1. Условное графическое изображение динистора и его 4-слойная структура

Внешние p₁ и n₂ области и переходы J₁ и J₃ называют эмиттерными, они имеют высокую степень легирования. Внутренние области n₁ и p₂ – называют базовыми. n₁ больше p₂ по толщине – тонкая и толстая базы. J₂ – коллекторный переход. Напряжение – прямое, «+» к аноду, «-» - к катоду, обеспечивает два режима работы. Для ограничения в открытом состоянии последовательно с динистором всегда включают ограничивающее или нагрузочное сопротивление . Закрытое состояние динистора соответствует начальному увеличению от нуля. При этом при данной полярности переходы J₁ и J₃ смещены в прямом направлении, а J₂ – в обратном. Так как сопротивление прямо и обратно смещённых p-n переходов резко различны, то почти всё напряжение падает на J₂, а к J₁ и J₃ – приложены очень малые даже для прямого смещения напряжения и эти переходы почти не инжектируют носители. Тогда ток через структуру практически определяется обратным током коллекторного перехода J_2­, который достаточно мал – микроамперы или миллиамперы (у мощных) - обусловлен неосновными носителями n₁ и p_2­ областей базы, создающих тепловой ток и током термогенерации носителей , возникающих в области объёмного заряда коллекторного перехода J₂.

Рис.15.2. Токи в структуре динистора

Увеличение в основном увеличивает падение напряжения на обратносмещённом J₂, вследствие этого его область объёмного заряда увеличивается, что приводит к увеличению тока и следовательно . При этом носители, переносящие , в новых областях оказываются неравновесными основными носителями. Их заряд увеличивает потенциалы баз в направлении, приоткрывающем соответствующий эмиттерный переход. В результате эти переходы увеличивают инжекцию носителей из эмиттера в базы, где они оказываются неравновесными неосновными носителями. Часть этих носителей идёт на рекомбинацию в базах, а другая часть захватывается обратносмещённым переходом J₂ и перебрасывается в противоположные области. Здесь они оказываются неравновесными основными носителями и поэтому дополнительно подсмещают эмиттерные переходы в прямом направлении, что увеличивает их инжекцию и так далее. Таким образом в 4-х слойной структуре существует положительная обратная связь, при которой увеличение, например, тока перехода J₃ приводит к увеличению тока J₁, что в свою очередь увеличивает ток J₃ и так далее.

Поэтому увеличение сопровождается более быстрым ростом , чем рост . На этом начальном участке ток находят следующим образом

Так как в любом сечении прибора протекает один и тот же ток , то . Отсюда, (*)

Это уравнение в неявном виде описывает статические ВАХ динистора на начальном участке при прямом напряжении . Для построения этой ВАХ необходимо учесть зависимости , , и наличие положительной обратной связи между отдельными составляющими тока .

Как известно, зависимость

Рис.15.3 Зависимость

При малых начальных токах и - малы, так как при малых токах велика роль рекомбинации носителей на свободных ловушках в области объёмного заряда эмиттерных переходов. В формуле (*): , . С ростом ток возрастает, это сопровождается ростом , , , . - возрастает за счёт заполнения ловушек в области объёмного заряда эмиттерных переходов носителями, то есть за счёт роста и за счёт сужения баз области объёмного заряда перехода J₂, то есть за счёт роста . Но пока сумма положительная обратная связь между и остаётся слабой и в базах соблюдается баланс положительных и отрицательных неравновесных зарядов.

Например, в базе p₂: . Аналогичный баланс зарядов и в базе n₁. Все составляющие токов имеют одинаковый порядок и поэтому могут компенсировать друг друга. Но при , - возрастает настолько, что . Из (*) следует, что . Это означает, что в структуре прибора между и появляется сильная положительная обратная связь, при которой взаимное увеличение этих токов ведёт к лавинообразному, регенеративному току , при этом баланс зарядов в базах нарушается. Например, в базе p₂ составляющие токов эмиттеров начинают превышать составляющие токов , а составляющая превышает , то есть и в базе накапливаются неравновесные дырки. Аналогично в базе n₁ накапливаются неравновесные электроны. Заряды этих неравновесных основных носителей, наход-ихся по обе стороны J₂, создают электр-ое поле, направленной встречно полю в области объёмного заряда перехода J₂ и уменьшают его. В результате одновременно с лавинообразным нарастанием падение напряжения на J₂ быстро умень-ся, что уменьшает напряжение на всей структуре динистора. Таким образом, на ВАХ появляется участок отриц-ого дифферен-ого сопротивления и формула (*) теряет свой смысл.

Рис.15.4. ВАХ динистора

В конечном итоге, накопленные в базе неравновесные носители приводят к прямому смещению J_2­ и напряжение на динисторе

, Так как все три напряжения – напряжения на прямосмещённых переходах, то равно приближенно одному напряжению на прямосмещённом переходе, В (1,5 В – вследствие падения напряжения на омических сопротивлениях структуры). При этом ток - огран-ся только внешней цепью и может достигать от десятых долей до тысяч А, такое состояние соответствует открытому состоянию (динистор включен). Если в открытом состоянии умень-ся

до относительно малого тока то заряд неравновесных основных носителей в базах – недостаточен для прямого смещения J₂ и динистор лавинообразно закрыв-ся. Этот наименьший , необходимый для поддержания динистора открытым, наз-ют током удержания . Таким образом, как говорят, прямая ветвь динистора имеет S-образный вид с участком отриц-ого дифферен-ого сопротивления. Динистор с только что рассмотренным механизмом переключения имеет плохо контролируемое (воспроизводимое) напряжение , которое заметно умень-ся с ростом темп-ы. Это связано с тем, что соответствует моменту равенства только за счёт роста , а так как , , опред-ся многими параметрами динистора (степень легирования , , , D), проконтролировать которые одновременно с высокой точностью невозможно. Поэтому структуры реальных динисторов делают таким образом, чтобы , - слабо зависели от тока в области малых токов.

Рис.15.5. Зависимость в реальных динисторах

Тогда при увеличении увеличение только тока не вызовет переключение динистора, так как и лишь когда увел-ся до и начин-ся сильное лавинное умножение носителей в области объёмного заряда J₂, ток перехода J₂ резко возрастает и стан-ся равным - только тогда динистор переключ-ся. В этом случае начальная ветвь ВАХ описыв-ся

, , .

Рис.15.6. ВАХ реального динистора

опред-ся степенью легирования областей n₁ и p₂ и хорошо воспроизвод-ся (контроль степени легирования) . Обратное напряжение динистора приклад-ся «+» к катоду, «-» - к аноду. Коллекторный переход под прямым смещением и его сопротивление мало, почти всё напряжении на обратно смещённых J₁ и J₃. Но J₃ – наиболее легированный из всех p-n переходов и поэтому имеет наименьшее напряжение лавинного пробоя и наибольшее сопротивление, так как его мал.

Рис.15.7. Структура динистора при обратном смещении.

Тогда при начальном увеличении - основная его часть будет падать на J₃, но J₃ может выдержать лишь небольшое обратное и пробив-ся (<40 В), при этом дифференц-ое сопротивление резко умень-ся. Поэтому при дальнейшем увеличении - основная его часть будет падать на J₁ и динистор будет работать как p₁-n₁-p₂ транзистор со свободной базой n₁. В этом случае как и в обычном транзисторе со свободной базой , то есть больше обратного тока единичного p-n перехода, хотя по абсолютной величине он мал. Как и в транзисторе со свободной базой напряжение пробоя p₁-n₁-p₂ структуры , так как обычно мал, то мало отл-ся от . Таким образом при обратном напряжении динистор может выдержать напряжение - может быть сотни-тысячи В.

Рис.15.8. ВАХ динистора при обратном смещении.