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

Включение р-п-р-структуры по схеме с общим эмиттером

Изображение переходной характеристики р-п-р-струк* туры, включенной по схеме с общим эмиттером, полу­ чим, воспользовавшись (5-6) и (5-86) и приравняв ^ = 1 :

= - ^ T W - ^ S ( О Т <И8>

Переход к изображениям дает быстро сходящийся ряд, два первых члена которого имеют вид:

Как и в предыдущем случае, в результате мы получи­ ли экспоненциальную функцию, однако в показателе ее

базой происходит значительно быстрее, чем в схеме с об­ щим эмиттером. В последнем случае также имеет место задержка коллекторного тока, которую характеризует время задержки, определяемое по формуле

120

5-7. ПЕРЕХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ р-и-р-СТРУКТУРЫ

ПРИ РАБОТЕ В КЛЮЧЕВОМ РЕЖИМЕ

заряда, с помощью которого такой анализ проводится значительно проще, чем при использовании уравнения непрерывности. Если умножить обе части уравнения не­

называемые уравнениями заряда базы, где 13, / к , h — дырочные токи эмиттера, коллектора и базы; Q—-пол­ ный заряд неравновесных носителей (дырок) в базе, определяемый выражением

W

Q=q\(p — p0)dx. (5-Ю6) 6

Уравнения (5-104), (5-105) получены для коэффици­ ента инжекции эмиттера, равного единице. Отметим, что уравнение (5-104) удобно для анализа р-я-р-структуры, включенной по схеме с общей базой, а уравнение (5-105) для структуры, включенной по схеме с общим эмитте­ ром.

Если дырочный ток базы не изменяется во времени в пределах рассматриваемого этапа, то, зная начальное Q(0) и конечное Q(t) значения полного избыточного за­ ряда, можно определить закон изменения его во вре­ мени. Полагая /6 = const и интегрируя (5-105), получаем;

Разрешая (5-107) относительно заряда Q, имеем:

121

Используем теперь основные уравнения метода заря­ да для анализа ключевого режима структуры плоскост­ ного триода в схеме с общим эмиттером.

Если на вход р-я-р-структуры с общим эмиттером поступает импульс тока прямоугольной формы с ампли­

го участка составляет время рассасывания tv. В процес­ се накопления концентрация неосновных носителей в ба­ зе возрастает по экспоненциальному закону, прибли­ жаясь к некоторому предельному значению, определяе­

ния насыщения, а остается в этом состоянии до тех пор, пока концентрация неосновных носителей в базе у кол­ лектора не уменьшается до значения равновесной (рис.

чению тока насыщения. Если входной сигнал имеет фор­ му, изображенную на рис. 5-11,а, т. е. после окончания

122

входного импульса по базовой цепи протекает отрица­ тельный ток, то рассасывание носителей происходит как через коллектор, так и через эмиттер. В процессе форми­ рования заднего фронта заряд в базе уменьшается до

Сравнивая это выражение с (5-109), получаем:

В конце формирования переднего фронта, на границе перехода p-n-p-структуры из активной области в область насыщения, зависимости (5-109) и (5-110) имеют вид:

Отсюда видно, что избыточный заряд базы в конце этапа формирования переднего фронта имеет значение:

Следующие два этапа протекают в области насыще­ ния. Эффективное время жизни в области насыщения

123

существенно меньше, чем Ё активной области й, как по» казано в [Л. 5-4], близко к значению времени жизни при инверсном включении тр г -. Учитывая это, запишем реше­ ние (5-108) для этапа накопления, полагая, что началь­ ное условие Q(0)=Q(f(pi) определяется выражением (5-112):

кон изменения избыточного заряда базы на этапе рас­ сасывания:

где время отсчитывается от момента формирования зад­ него фронта входного сигнала. В конце этапа рассасы­ вания заряд в базе достигает значения, соответствую­ щего границе области насыщения с активной областью и определяемого выражением (5-114). Учитывая это, из (5-108) получаем:

Если длительность входного импульса достаточно ве-- лика (/ и >Зт Р г ) и степень накопления близка к единице, то выражение (5-119) принимает вид:

Из последних формул следует, что с увеличением отрицательного (запирающего) значения базового тока время рассасывания уменьшается.

124

Начальным условием этапа формирования заднего фронта является Q ( 0 ) = Q ( ^ i ) или

Q(0) = - ^ / K . B >

и решение (5-108) имеет вид:

Здесь мы снова вернулись к постоянной т р . Длитель­ ность заднего фронта коллекторного тока определим, используя (5-107) и начальное условие Q ( ^ 2 ) = 0 , в виде

т. е. заряд в базе и коллекторный ток спадают по экс­ поненте.

Г л а в а ш е с т а я

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ p-rt-p-rt-СТРУКТУРЫ И ЕЕ СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Основой тиристора является p-rt-p-rt-структура, изо­ браженная на рис. 6-1. Структура выполняется таким образом, что взаимодействие между слоями дает вольтамперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления, представленную на рис. 6-2.

Впервые приборы с четырехслойной структурой типа р-п-р-п были рассмотрены Шокли [Л. 6-1] при анализе работы коллектора плоскостного триода с ловушкой. Однако эти приборы не обладали характеристикой, по-

125

добной изображенной на рис. 6-2. Дело в том, что одним из условий получения такой вольт-амперной характери­ стики, как мы увидим ниже, является наличие зависимо­ сти коэффициентов передачи р-п-р- и я-р-я-структур, на которые условно можно расчленить р-я-р-я-структуры,

указанной зависимости в нужном диапазоне токов и, таким образом, не позволил выявить всех достоинств р-я-р-я-структуры. И только применение кремния откры­ ло дорогу для появления нового класса полупроводнико­ вых приборов [Л. 6-2].

6-1. МЕХАНИЗМ РАБОТЫ р-я-р-я-СТРУКТУРЫ

Рассмотрим четырехслойную структуру в диодном включении, когда к ней приложено напряжение в пря­ мом направлении, а именно, к крайним р- и я-областям приложены соответственно положительный и отрицатель­ ный электроды источника напряжения. Это напряжение будет распределяться между тремя р-я-переходами. По отношению к двум крайним переходам j i и /з оно прило­ жено в прямом, по отношению к центральному р-я-пере- реходу — в обратном направлениях. Поэтому в соответ­ ствии с общепринятой терминологией для плоскостных триодов крайние р-я-переходы ]\ и /з будем называть эмиттерными, а центральный / г — коллекторным. Анало­ гично крайние области pi и п% будем называть эмиттер­ ными или эмиттерами, а центральные Я1 и рг— базовыми

120

или базами. Иногда по аналогии с газоразрядными при­

включении можно представить в виде комбинации двух

выяснено в предыдущей главе, коллекторные переходы смещаются в прямом направлении и, таким образом, структура находится в состоянии с небольшим падением напряжения на ней. Если коэффициенты передачи двух триодов не достигают значений, достаточных, чтобы при­ вести переход \г к насыщению, он остается смещенным в обратном направлении и прибор тока практически не

ние высокой проводимости необходимо пропустить ток, иногда существенно превышающий ток утечки централь­

127

перехода имеется слой объемного заряда, создающий скачок потенциала, как показано -на рис. 6-4,е.

Если теперь к аноду р-я-р-я-структуры приложить положительное относительно катода напряжение, то пе­

мент определяется величиной обратного тока коллектор­ ного р-я-перехода. Соответственно величине этого тока из эмиттерных областей структуры начинается инжекция неосновных носителей в центральные базовые об­ ласти. При этом дырки, инжектированные эмиттерной областью р-типа, диффундируют, а в случае наличия электрического поля также и дрейфуют через n-базу и, минуя коллекторный р-я-переход, который не представ­ ляет для них потенциального барьера, попадают в базо­ вую область р-типа, где они являются основными носи­ телями. Подобным же образом ведут себя электроны,, инжектированные эмиттерной областью я-типа.

128

Как электроны, так и дырки на пути от соответствую­ щего эмиттера к базе рекомбинируют, во-первых, в слое объемного заряда соответствующего эмиттерного р-я-пе- рехода, во-вторых, в той базе, где они являются неоснов­ ными носителями.

В том случае, если число основных носителей заряда, поступающих в базы через коллектор четырехслойной структуры за единицу времени, меньше того количества носителей заряда, которое может за это же время в них прорекомбинировать, устанавливается стационарное со­ стояние с низкой проводимостью. При этом число недо­ стающих для рекомбинации основных носителей постав­ ляется за счет центрального (коллекторного) р-я-перехо- да, смещенного в обратном направлении. Напряжение на структуре велико и определяется в основном напря­ жением на коллекторном переходе (рис. .6-5,6).

Если же число основных носителей заряда, поступаю­ щих в базы через коллектор четырехслойной структуры за единицу времени, больше количества носителей заря­ да, рекомбинирующих при этом в базах, то имеет место

влетворяется за счет смещения центрального р-я-пере- хода в прямом направлении. Естественно, что при этом напряжение на нем противоположно по знаку напряже­ нию, приложенному ко всей четырехслойной структуре

по порядку величины равно падению напряжения на прямосмещенном р-я-переходе (рис. 6-5,б) и, следова­ тельно, проводимость р-я-р-я-структуры будет велика.

Таким .образом, при малых значениях тока рекомбинационные процессы преобладают над диффузионными и структура находится в закрытом состоянии. При боль­ ших токах, наоборот, преобладающую роль играют диф­ фузионные процессы и прибор находится в открытом состоянии, т. е. напряжение на нем мало.

Проанализируем теперь движение носителей тока в установившемся состоянии, когда переходы ji и /з сме­ щены в прямом, а переход \ч в обратном направлениях, используя при этом понятие теории плоскостных триодов (рис. 6-6). Как известно, в объеме полупроводника гене-