Управляемые полупроводниковые приборы

С помощью многослойных полупроводниковых структур, содержащих взаимосвязанные переходы, получают возможность электрического управления потоками зарядов и построения на их основе широкого класса приборов (транзисторов, тиристоров).

Одним из наиболее распространенных полупроводниковых приборов является биполярный транзистор (БТ), в структуре которого можно выделить эмиттерную (Э), коллекторную (К) и базовую (Б) области, образующие два взаимодействующих р-n перехода: эмиттер – база и база – коллектор (рис.1.9,а).

Рис. 1.9. Структура биполярного транзистора (а), его включение (б) и эквивалентная схема (в)

Внешние источники подключают так, чтобы обеспечить усилительный (активный) режим работы транзистора, при котором U_бэ смещает переход в прямом, а U_кб в обратном направлении (рис.1.9,б).

Приложение к эмиттерному переходу напряжения U_бэ >U* превышающего порог отпирания вызовет переход электронов из высоколегированной области эмиттера n⁺ в базу, создавая ток I_э. При малой ширине базы лишь небольшое число электронов рекомбинирует со свободными дырками, а основная их часть достигнет коллекторного перехода и, захваченная его ускоряющим полем, будет втянута в коллекторную область, образуя ток i_к =a i_э. Затраченное на рекомбинацию изменение заряда компенсируется небольшим током базы i_б =i_э – i_к = (1–a) i_э. Близкую к единице величину a @ 0,9...0,999 называют коэффициентом передачи тока эмиттера.

Эквивалентная схема (модель Эберса – Молла), отражающая принцип действия биполярного транзистора содержит два диода, моделирующие p – n переходы, и управляемые источники тока, учитывающие взаимодействие токов переходов (рис.1.9,в). Диоды характеризуются зависимостями , где I_к0, I_э0 –токи обратно смещенных переходов; u_б-к , u_б-э - напряжения на переходах.

Дифференциальное сопротивление открытого эмиттерного перехода значительно меньше дифференциального сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода, что при практически равных токах i_э @ i_к свидетельствует об усилении транзистором напряжения и мощности.

На практике применяют также структуру транзистора с другим чередованием слоев: p-n-p. Эквивалентная схема будет иметь такой же вид, но при этом полярности включения диодов и направления всех источников следует заменить на противоположные.

Наряду с рассмотренным нормальным активным режимом в зависимости от полярности внешних источников возможны другие направления напряжений на переходах и соответствующие им характеристики. Активный инверсный режим можно получить, поменяв точки подключения эмиттера и коллектора. При этом открыт переход база – коллектор, задающий ток коллектора i_к, а ток эмиттера определяется соотношением i_э = α_и i_к. Несимметричность конструкции транзистора (высокая степень легированности области эмиттера при большей площади коллектора) приводит к меньшему значению коэффициента передачи тока в инверсном включении α_и @ 0,7…0,9. В режиме насыщения полярность и напряжения источников таковы, что оба перехода смещены в прямом направлении и падения напряжений на них невелики (U_бэн @ 0,5…0,7 В и U_кэн @ 0,2…0,4 В). Если к переходам приложены запирающие напряжения, то транзистор находится в режиме отсечки тока. Отсечка и насыщение используют в импульсной электронике для получения замкнутого и разомкнутого состояния транзисторного ключа. Модель Эберса – Мола является универсальной и с ее помощью можно рассчитать токи и напряжения в любом режиме работы транзистора.

Если пренебречь незначительным влиянием напряжения коллекторного перехода на ток эмиттера, то входная характеристика транзистора i_э(u_бэ) представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода (рис.1.10,а).

Рис.1.10. Входная (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора

При нулевом токе эмиттерного перехода I_э = 0 выходная характеристика транзистора i_к(u_кб) совпадает с обратной ветвью характеристики коллекторного перехода, представленной током I_к0. Cемейство выходных характеристик при различных значениях эмиттерного тока I_э можно получить смещением характеристики для I_э= 0 по оси тока на значение I_к =a I_э1 (рис.1.10,б).

В соответствии с выходными характеристиками эквивалентное сопротивление R_кб = U_к /I_к зависит токов эмиттера или базы, т. е. ими управляется; поэтому рассматриваемый прибор называют транзистором (transfer resistor) биполярным (двуполярным), т. к. в образовании тока участвуют два типа носителей заряда (электроны и дырки).

В зависимости от способа присоединения источника и нагрузки различают три схемы включения транзистора, названные по типу электрода, являющегося общим для входа и выхода: с общей базой (ОБ), эмиттером (ОЭ) или коллектором (ОК).

В схемах с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) в качестве входного используется зажим базы (рис.1.11,а), и токи эмиттера и коллектора удобно выразить через ток базы i_к = b i_б и i_э = b_и i_б.

Рис.1.11. Включение транзистора с общим эмиттером (а) и эквивалентная схема (б)

Источники тока на эквивалентной схеме управляются током базы (рис.1.11,б). Коэффициент передачи тока базы в нормальном активном режиме , связывающий токи базы и коллектора, имеет большое значение b >> 1 (например, значение a = 0,99 приводит к b @ 100), что свидетельствует об управлении током коллектора существенно меньшим током базы. Коэффициент передачи инверсного режима имеет значительно меньшее значение b_и < b. Эквивалентная схема реального транзистора включает сопротивления областей коллектора r_к, эмиттера r_э и базы r_б, а также емкость коллекторного перехода С_к .

Управление выходным током в транзисторной структуре возможно воздействием электрического поля через диэлектрик в структуре "металл – диэлектрик - полупроводник» (МДП). Принцип действия полевого транзистора базируется на изменении удельной электрической проводимости полупроводникового материала.

МДП-транзистор формируется на полупроводниковой из слабо легированного кремния р-типа или диэлектрической (сапфир) подложке в виде областей n⁺-типа истока (И) и стока (С), между которыми расположен канал для прохождения тока (рис.1.12,а).

Рис.1.12. Структура МДП транзистора (а), его проходная (б) и выходные (в) характеристики

Над каналом помещают управляющий электрод из алюминия – затвор (З), изолированный от подложки диэлектриком (обычно используют окись кремния SiO₂ ).

При отсутствии напряжения на затворе U_З = 0 ток i_с отсутствует при любой полярности напряжения на стоке u_с , т. к. область полупроводника между стоком и истоком представляет собой n⁺- р - n⁺ структуру (два встречно включенных перехода).

Если между затвором и полупроводниковой подложкой приложить напряжение u_З, то созданное электрическое поле изменяет концентрацию носителей заряда в прилегающем к диэлектрику слое полупроводника и влияет на удельную электрическую проводимость слоя s.

При небольшом положительном напряжении электрическая проводимость приграничной зоны уменьшается из-за оттока под действием электрического поля свободных положительных зарядов (дырок). Значительное увеличение положительного напряжения на затворе и сильное возрастание напряженности электрического поля приводит к ионизации и появлению свободных электронов (отрицательного заряда в приграничной области). При пороговом напряжении U₀ в приграничном слое полупроводника изменится характер проводимости (инверсия типа проводимости), т. е. в подложке р-типа под действием поля создается канал n-типа.

В образовавшемся при u_З > U₀ проводящем канале n-типа возникнет ток i_с от истока (область n⁺) к стоку (область n⁺). Проходная характеристика транзистора i_с(u_З) отражает влияние напряжения затвора u_З на ток канала i_с (рис.1.12,б). Кроме того, ток через канал i_с зависит от приложенного к нему напряжения u_с. При небольшом значении напряжения сток – исток можно считать сопротивление канала R_к постоянным (не учитывать незначительное изменение концентрации электронов вдоль канала) и выходную характеристику транзистора i_с(u_с) на начальном участке при неизменном напряжении затвора (рис.1.12,в) описать линейной зависимостью u_с = R_к i_с.

Увеличение напряжения на стоке при неизменном напряжении затвора вызовет заметное уменьшение концентрации электронов от истока к стоку за счет падения напряжения на канале, что приведет к возрастанию сопротивления канала и отклонению зависимости i_с(u_с) от линейной. При дальнейшем увеличении напряжения u_с в области стока напряжение между затвором и каналом u_к приблизится к пороговому U₀ и ток стока i_с не будет изменяться, т.е. на выходной характеристике транзистора образуется пологий участок.

Напряжение затвора влияет на выходную характеристику в силу изменения сопротивления канала и при разных значениях u_З получим семейство выходных характеристик (рис.1.12,в).

Для описания характеристик МДП-транзистора можно использовать кусочную модель Хофстайна, которая представляет аналитические зависимости по участкам:

1. отсутствие канала (транзистор закрыт) при ;

2. линейная область при малых значениях напряжения на стоке ;

3. режим насыщения (постоянного тока) при , где k₀ – крутизна характеристики.

Эквивалентная схема МДП транзистора с индуцированным (наведенным) каналом n-типа (рис.1.13,а) содержит источник тока, управляемый напряжениями затвора и стока, а также емкости полупроводниковой структуры (рис.1.17,б).

Рис.1.13. МДП транзисторы с индуцированным каналом n-типа (а – обозначение, б – эквивалентная схема), р -типа (в) и встроенным каналом n-типа (г)

Наряду с рассмотренным МДП технология позволила создать широкий класс полевых транзисторов: с индуцированным каналом р-типа (рис.1.13,в), с технологически сформированными или встроенными каналами (рис.1.13,г) и других, обладающих различными параметрами.

С использованием черырехслойной структуры (рис.1.14,а) разработан полупроводниковый прибор – тиристор, позволяющий сохранить без затрат энергии управления одно из устойчивых состояний: открытое (проводящее) или закрытое (изолирующее).

Рис.1.14. Структура тиристора (а), его эквивалентная схема (б) и характеристики (в)

Тиристоры применяют в качестве мощных коммутаторов (токи до 500 А и напряжения до 1000 В) в силовых преобразователях. Управляемый тиристор имеет внешние выводы катода (К), анода (А) и управляющего электрода (У).

Для анализа процессов в тиристоре полупроводниковую структуру удобно представить как соединение транзисторов Т₁ типа n₁–p₁– n₂ и Т₂ типа p₂ – n₂ – p₁ (рис.1.14,б). При положительном напряжении U на аноде транзисторы Т₁ и Т₂ находятся в активном режиме, т. к. переходы n₁-p₁ и n₂-p₂ смещены в прямом, а переход n₂-p₁ в обратном направлении.

Поданный в цепь управляющего электрода ток I_у усиливается транзистором Т₁ и создает в цепи базы Т₂ ток , который усиливается до значения . Процесс усиления тока в замкнутом контуре продолжается до состояния насыщения транзистора.

С помощью эквивалентной схемы можно получить уравнения, описывающие процесс перехода тиристора из закрытого в проводящее (насыщения) состояния при отсутствии тока управления I_у = 0 . Из соотношений для токов , где - ток закрытого перехода, с учетом и несложно записать выражение анодного тока в виде . Скачкообразное увеличение тока будет наблюдаться при значениях коэффициентов передачи базовых токов (a₁ + a₂) @ 1.

Начальный этап нарастания напряжения (рис.1.14,в) проходит при значении тока близком к I_к0 и малых коэффициентах передачи a₁ и a₂, которые зависят от токов и напряжений переходов. При напряжении U = U_в, обеспечивающем выполнение условия (a₁ + a₂) @ 1, происходит лавинообразное увеличение тока, отраженное на характеристике отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Ток I_в гарантирует положительное напряжение смещения на всех переходах и дальнейшее его увеличение дает характеристику открытого диода. Изменение полярности приложенного напряжения на противоположное практически не изменяет начального тока I @ I_к0 вплоть до электрического пробоя.

Введенный ток I_у1 управляющего электрода складывается с током коллектора T₂, что увеличивает общий ток через и снижает напряжения включения тиристора U_в1.

Разработано несколько разновидностей тиристоров (симметричные, запираемые и другие), обладающие различными свойствами и характеристиками.