книги из ГПНТБ / Челноков В.Е. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов

объяснить линейную зависимость (4-38). Действительно,

в (4-42) и провести необходимые преобразования, получим:

/обр.мако=1,42л /Тр. (4-44)

Соотношение (4-35) достаточно хорошо согласуется с (4-26), а (4-44) с (4-43). Несколько завышенные зна­ чения 7 i и / 0 б р , рассчитанные по методу заряда, объясня­ ются принятым предположением, что весь накопленный заряд исчезает на фазе спада.

4-2. ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВКЛЮЧЕНИЯ р-п-СТРУКТУРЫ

В ПРОВОДЯЩЕЕ СОСТОЯНИЕ

Выше мы указывали, что после приложения к р-п- структуре прямого напряжения стационарное распреде­ ление носителей тока в базовой области устанавливается в течение определенного времени. Наличие этого процес­ са приводит к тому, что напряжение или ток на внешних электродах обнаруживают временную зависимость. Поскольку для малого прямого сопротивления />я-струх-

90

туры удобнее реализовывать режим генератора тока, будем рассматривать реакцию напряжения на прямо­ угольный импульс тока.

До сих пор, рассматривая переходные процессы, мы, как правило, пренебрегали падением напряжения на со­ противлении базы, так как для обратного смещения па­ дение напряжения на базовой области по сравнению, с напряжением на р-я-переходе мало. При протекании прямого тока, особенно большой величины, падение на­ пряжения на базе может быть соизмеримо с падением напряжения на р-я-переходе или даже значительно пре­ восходит его. Поэтому анализ переходного процесса включения будем вести с учетом явлений, проходящих в базовой области. Итак, падение напряжения на струк­ туре при подаче прямоугольного импульса тока будет складываться из напряжения на р-я-переходе и падения напряжения на базе:

Ujjp=Upn-j-U.T-{-'Ux,

где UR — э. д. с. Дембера.

Напряжение на переходе будет изменяться от нуля до некоторого максимального значения, соответствующе­

где ирп{°°) —установившееся напряжение на р-я-пе- реходе.

Типичная кривая установления напряжения на р-я- переходе для хР = 7 мксек изображена на рис. 4-10. Как видно, при включении в прямом направлении р-я-переход ведет себя аналогично конденсатору. Емкостная реакция р-я-перехода на внешний сигнал сохраняется и в случае приложеия к нему импульса прямого напряжения.

Падение напряжения на базе складывается из двух составляющих: омического падения напряжения на со-

91

но уменьшается от значения 0'б(О) до некоторого уста­

область в противоположность р-я-переходу имеет индук­

тока через него зависит от амплитуды тока. При малых токах, когда падение напряжения на базе пренебрежимо мало по сравнению с падением-на р-я-переходе, диод

92

ведет себя как емкость: напряжение на нем й течение переходного процесса постепенно, нарастает от некото­ рого начального до установившегося (как изображено на рис. 4-12, кривая 3). При больших плотностях прямо­ го тока, когда определяющими становятся процессы

броска напряжения наблюдается его спад, как показано на кривой / (рис. 4-12). В промежуточных случаях воз­ можно появление осцилляции — кривая 2 (рис. 4-12). В заключение отметим, что эксперименты, проведенные на диодных структурах, подтверждают правильность тео­ ретического расчета.

Г л а в а п я т а я

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ПЛОСКОСТНЫХ ТРИОДОВ

5-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ /?-я-р-СТРУКТУРЫ п л о с к о с т н о г о ТРИОДА

В предыдущих' главах мы рассмотрели прохождение тока через однородный полупроводник, образование электронно-дырочного перехода, его вольт-амперную ха­ рактеристику. Структуры с электронно-дырочными пере-

93

ходами являются основой большинства полупроводнико­ вых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и т. д.

Рассмотрим принцип действия р-я-р-структуры, явля­ ющейся основой такого широко распространенного в настоящее время прибора, как плоскостной триод или транзистор.

Выше мы видели, что при прохождении тока через p-n-переход, включенный в прямом направлении, концен-

w

1 '

lPS2

r>S2

' . П

£

+.1 -

Рис. 5-1. Включение p-n-p-структуры по схеме с общей базой.

трация неосновных носителей вблизи перехода сущест­ венно повышается. Избыточные носители, например дырки, инжектированные в электронную базовую область, диффундируют в глубь этой области. Если в базовой области рядом с первым имеется еще один р-я-переход, включенный в обратном направлении (рис. 5-1), то дыр­ ки, достигшие границы слоя объемного заряда второго перехода, перебрасываются его электрическим полем во вторую область с дырочным типом проводимости и в результате ток через второй переход резко возрастает. Изменяя напряжение на р-я-переходе, включенном в пря­ мом направлении, можно изменять количество инжекти­ рованных дырок в я-области и в конечном итоге Vox через второй р-я-переход. При включении в цепь второго перехода сопротивления нагрузки Яя появляется возмож­ ность управления мощностью, выделяемой на этом со­ противлении, с помощью изменения напряжения на первом р-я-переходе.

Эти свойства р-я-р-структуры были использованы при создании полупроводникового усилителя — плоскостного триода, который изготавливается таким образом, что

94

р-я-переход, к которому прикладывается прямое напряже­ ние, обладает высоким коэффициентом инжекции дырок. Это достигается за счет того, что проводимость р-области, откуда дырки вводятся в я-область, существенно выше •проводимости последней. Дырочная область смещенного в прямом направлении p-n-перехода называется эмитте­ ром, а электронная (средняя область р-я-р-структуры)— базой триода. Вторая область дырочного типа, кудэ дырки собираются из базы, называется коллектором. Базовая область плоскостного триода выполняется до­ статочно тонкой: меньше диффузионной длины дырок, так как в противном случае большинство инжектирован­ ных носителей не достигнет коллектора, а рекомбинирует в базе. Коллекторный переход, как правило, обладает хорошими запирающими свойствами, что позволяет прикладывать к нему высокие напряжения и управлять большими мощностями в цепи нагрузки.

Определим соотношения, связывающие токи р-п-р- структуры при ее нормальном включении, когда эмиттер-

тера, характеризующее эффективность триода, называ­ ется коэффициентом передачи эмиттерного тока и обычно обозначается буквой а:

Как следует из определения, а всегда меньше едини­ цы, но, что необходимо отметить, разница между этимч значениями у современных триодов составляет величину порядка нескольких сотых или тысячных.

Помимо дырочной составляющей эмиттерного тока через коллекторный переход протекает электронная Insi и дырочная /pS 2 составляющие обратного тока собственно коллекторного перехода. Здесь и в дальнейшем, где спе­ циально не оговорено, для упрощения выкладок рассмат­ риваются только электронная и дырочная составляющие тока насыщения обратно включенного р-я-перехода.

Существует несколько возможных включений р-п-р- структуры, однако наибольшее распространение получи­ ли два из них: включение по схеме с общей или зазем­ ленной базой и включение по схеме с общим или зазем-

95

ленным эмиттером. На рис. 5-1 представлено включение р-п-р-етруктуры по схеме с общей базой. В этом случае входным или управляющим током является ток эмитте­ ра, а выходным или нагрузочным — ток коллектора. Соотношение между эмиттерным и коллекторным током

в виде суммы двух составляющих, одна из которых за­

Независимая составляющая, представляющая собой ток. через нагрузочное сопротивление при отсутствии входного сигнала (/а =0), называется нулевым коллек­ торным током триода в схеме с общей базой и является не чем иным, как обратным током собственно коллектор­ ного перехода /K o6==/s2=/pS 2+/«s2.

Коэффициент передачи эмиттерного тока, хотя он и меньше единицы, часто называют коэффициентом усиле­ ния по току плоскостного триода, включенного по схеме

собщей базой.

Вслучае включения р-я-р-структуры по схеме с об­ щим эмиттером (рис. 5-2) током управления и нагрузоч­ ным током являются соответственно токи базы и кол­

96

5

•C H — 1

Рис. 5-2. Включение р-л-р-структуры по схеме с общим эмиттером.

ШN

Ш/

>is>o

Рис. 5-4. Выходные (коллекторные) характери­ стики р-и-р-структуры в схеме с общим эмит­ тером.

Выходные (коллекторные) характеристики плоскост­ ного триода в схемах с общей базой и общим эмиттером представлены соответственно на рис. 5-3 и 5-4. Посколь­ ку наблюдается примерно одинаковый сдвиг коллектор­ ных кривых при одинаковых приращениях тока управле­ ния, можно сделать вывод о том, что коэффициенты уси­ ления в схеме с общей базой и общим эмиттером незначительно зависят от режима работы триода.

5-2 ВЫРАЖЕНИЯ ДЛЯ ТОКОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В p-n-p-СТРУКТУРЕ ПЛОСКОСТНОГО ТРИОДА

Для того чтобы установить связь между электриче­ скими характеристиками и физическими параметрами структуры плоскостного триода,, определим дырочные и электронные составляющие токов, протекающих в р-п-р-

Рис. 5-5. Распределение плотностей постоянных токов в р-л-р-структуре.

структуре. Прежде всего будем считать, что примесь в каждой области р-п-/?-структуры распределена равно­ мерно. Рассматриваем случай, когда на прибор подаются только постоянные напряжения. Структура включена по схеме с общей базой, как показано на рис. 5-5.

Здесь, как и в предыдущих главах, рассматривается одномерное приближение, когда концентрация носителей тока изменяется только в направлении, перпендикуляр­ ном к плоскости р-п-перехода,

98