Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.71 Mб
Скачать

рируются электронно-дырочные пары. Отметим, од­

нако,

что

пары

генерируемые внутри слоя

объ­

емного заряда перехода

\%,

сразу

перебрасываются

его

электрическим

полем

в

соседние

базовые

об­

ласти. Дырки, попав в область ръ

 

повышают

ее

потенциал.

Для

выполнения

условия

электроней­

тральности

базовой

области р2

должна

произойти

ли­

бо инжекция

электронов р-тг-переходом

/з в слой р%,

ком-

Рис. 6-6. Распределение

токов в прямовключешюй

р-п-п-

структуре для закрытого

состояния.

 

пенсирующнх возникший избыточный заряд дырок, либо при неравенстве единице коэффициента инжекции пере­

хода / 3

инжекция дырок

из слоя /ь в слой

п2, что

практи­

чески означает удаление

избыточного заряда через р-п-

переход

/з. Обозначим

 

ток, текущий

через

р-п-р-п-

структуру, через /. Тогда дырочный ток, текущий внутрь

базовой области rii, равен yj,

где y i — коэффициент ин­

жекции перехода j\. Остальная

часть тока ( 1 — п е р е ­

носится электронами, которые движутся из области ni внутрь слоя объемного заряда перехода /ь Часть этих электронов рекомбинпруст в слое объемного заряда - р-/г-перехода /ь а остальная инжектируется внутрь слоя pi, где исчезает за счет рекомбинации. Дырки, инжекти­

рованные из

области р\ в область щ,

диффундируют

к р-л-переходу

] % частично рекомбинируя

в Лгбазе. Доля

дырочного тока, достигшая р-/г-перехода \2, определяется коэффициентом переноса рь И, наконец, доля анодного

130

тока,

который переносится дырками

из области p i в

об­

ласть

tii и собирается у перехода,

равна YiPi —си.

Д л я

определения дырочного тока, протекающего через р-я- переход /2 , необходимо еще учесть составляющую, обу­ словленную тепловой генерацией носителей в базовых областях, прилегающих к р-я-переходу \% которую обо­ значим через lpS, и составляющую lVd, обусловленную генерацией носителей в слое объемного заряда. С учетом сказанного

Ip^aJ

+

lpa +

Ips.

(6-1)

Аналогично для электронной

составляющей

 

l n =

azl +

Ind + lns-

(6-2)

Учитывая, что полный ток, протекающий через р-я-

переход /2 , равен:

1=1п

+ Гр,

 

(6-3)

а

 

 

 

 

(6-4)

fd =

I P , i + Ind

 

и

 

 

 

(6-5)

I s= Ins~\~ I ps>

запишем выражение

для

тока,

протекающего

через

р-я-р-я-структуру, в виде

 

 

 

/K0 = /d + / s = / ( l — c i i — a 2 ) .

(6-6)

Если пренебречь процессами в слое объемного заря­

да, то выражение (6-6)

приводится к виду, наиболее ча­

сто применяемому при анализе процессов в р-я-р-я-струк- туре:

/Ko = / s = / ( l - a i - a 2 ) .

(6-7)

Выражения (6-6) л (6-7) справедливы для сравни­ тельно невысоких прямых напряжений, когда процессами умножения носителей в слое объемного заряда можно пренебречь. В противном случае, используя выражение для коэффициента передачи (5-38), полученное в преды­ дущей главе и учитывающее указанные процессы, можно путем аналогичных рассуждений получить выражение следующего вида:

/ s =

/ ( l — aiMp~azMn)=I(\—

аМ).

(6-8)

Правая часть выражения написана при допущении,

что Мр = Мп~М,

а cu + a 2 = a .

 

 

9*

131

Как было упомянуто выше, ключевые свойства четырехслойной структуры связаны с зависимостью коэффи­ циентов передачи «i и аг условных триодов от тока. Дей­ ствительно, если в (6-8) коэффициент аМ меньше едини­ цы, то ток /к о также не отрицателен и, следовательно, представляет собой ток, протекающий через центральный р-я-переход в запорном направлении. Это означает, что напряжение на четырехслойной структуре велико. В слу­

чае, если о/И>1, из (6-8) следует, что

/ к о < 0 ,

т. е. для

выполнения

уравнения непрерывности

к коллекторному

/о-га-переходу

должно быть приложено

прямое

напряже­

ние, т. е. вся структура находится в открытом состоянии. Следует, однако, заметить, что уравнение (6-8) в обла­ сти токов, соответствующих большим значениям прямо­ го напряжения на центральном p-n-переходе, перестает быть справедливым, так как оно не учитывает инжекционных потоков от этого перехода.

Для получения условия переключения из закрытого в открытое состояние рассмотрим эквивалентную схему четырехслойной структуры (рис. 6-3). Допустим, что внеш­

нее

напряжение, приложенное к рассматриваемой цепи,

возросло настолько, что на одном из коллекторных

р-п-

переходов началось умножение

носителей

зарядов

или

же

появился заметный ток утечки. Этот ток, поступая

в базу,

например,

/г-р-/г-транзистора, будет

появляться

на

его

коллекторе

усиленный в

W ( l с и )

раз.

 

 

 

 

 

п-р-п-транзистором

 

В свою очередь этот усиленный

 

 

ток

будет поступать в базу р-га-р-транзистора и усили­

ваться

в аг/(1—аг)

раз.

 

 

 

 

Если приведенные выше рассуждения отнести к при­

ращениям соответствующих токов, то результирующий коэффициент усиления

k * = (1 — — а*2) ' ( 6 " 9 )

где id*i и а*2 — дифференциальные коэффициенты усиле­ ния п-р-п и р-/г-р-транзисторов соответственно. Очевид­ но, что если этот результирующий коэффициент усиле­ ния больше единицы, то может иметь место лавинооб­ разный процесс нарастания тока через р-п-р-п-структуру.

Условие переключения из закрытого в открытое со­ стояние k*>\, как следует из (6-9), можно записать в виде

<x*i + a * 2 > l .

(6-10)

132

Если при переключении существенную роль начинает играть эффект умножения неосновных носителей в обла­ сти объемного заряда коллекторного р-я-перехода, вме­ сто (6-10) следует использовать следующее условие:

te*iM„ + o * a A l p > l ;

(6-11)

Неравенство, связывающее интегральные

коэффици­

енты усиления,

 

a i + i a 2 > l

(6-12)

характеризует, как следует из анализа (6-7), инверсию знака напряжения на коллекторном р-я-переходе.

Дифференцируя (6-7) по / и используя (6-12), не­ трудно видеть, что для малых приращений токов имеет место простое соотношение, аналогичное (6-7), в кото­ ром, однако, суммарный интегральный коэффициент уси­ ления а заменяется на суммарный дифференциальный коэффициент усиления р-я-р-я-структуры:

Д/ко = Л / ( 1 — а*).

(6-13)

Основные параметры вольт-амперной характеристики р-я-р-я-структуры, представленной на рис. 6-2, следую­ щие. Для участка /, т .е. участка низкой проводимости, величина сопротивления прибора Язап- Хотя, строго го­ воря, это сопротивление изменяется с увеличением на­ пряжения, но порядок величины этого сопротивления при напряжениях, в несколько раз отличающихся от рабоче­ го, примерно один и тот же. Часто вместо сопротивления прибора в закрытом состоянии указывают просто значе­ ние тока при фиксированном напряжении. Участок 2 представляет 'собой участок электрического пробоя цен­ трального р-я-перехода. На этом участке дифференци­ альное сопротивление сравнительно мало (порядка не­ скольких ом) . Если токи утечки коллекторного р-я-пере­ хода сравнительно велики (миллиампер), а ток переклю­ чения / п мал, переключение может иметь место до выхо­ да на участок электрического пробоя центрального р-я- перехода, при этом участок 2 на вольт-амперной характеристике четырехслойной структуры отсутствует. На участке отрицательного дифференциального сопро­ тивления 3 основным параметром является величина этого сопротивления.

Участок 4 представляет вольт-амперную характери­ стику открытой р-я-р-я-структуры. Для этого участка

133

характерными параметрами прибора являются падение напряжения при фиксированном токе Uav, величина остаточного сопротивления и величина тока выключения, или удерживающего тока / у д (точка, где dll/dl = 0).

Отметим, что приборы с четырехслойной структурой часто имеют значения тока переключения выше, чем зна­ чение тока выключения.

Рассмотрим теперь поведение четырехслойной струк­ туры при приложении к ней обратного напряжения, т. е. когда к эмиттерной области р-типа приложен отрица­ тельный потенциал, а к эмиттерной области n-типа поло­ жительный потенциал источника внешнего напряжения.

В этом случае

внешнее напряжение

прикладывается

к центральному

р-я-переходу в прямом,

а к обоим край­

ним р-я-переходам— в обратном направлении. Так как сопротивление р-я-перехода в прямом направлении мало, то все напряжение оказывается приложенным к эмиттерным р-я-переходам и распределяется между ними в соответствии с их сопротивлениями.

Рассмотренные выше свойства четырехслойной струк­ туры р-я-р-я-типа открывают большие возможности для создания переключателей, генераторов и т. п., однако приборы на основе р-я-р-я-структуры получили широкое распространение, главным образом вследствие возможно­ сти управления параметрами прямой ветви вольт-ам­ перной характеристики и величиной напряжения пере­ ключения ип.

6-2. УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ p-rt-p-я-СТРУКТУРЫ

Способы управления

Переключение р-я-р-я-структуры из закрытого состоя­ ния в открытое осуществляется с помощью введения тем или иным способом в одну или обе базовые области структуры неравновесных носителей. В том случае, ког­ да переключение структуры происходит за счет повыше­ ния приложенного напряжения вплоть до величины на­ пряжения переключения, неравновесные носители входят в базовые области через коллекторный переход. При этом напряжение переключения постоянно, если отсут­ ствуют внешние воздействующие факторы. Однако, вво­ дя носители каким-либо другим способом, можно'уменьшить напряжение переключения вследствие того, что заряд, необходимый для начала лавинного роста тока,

134

создается теперь уже за счет двух источников — анодно­ го напряжения и внешнего воздействующего фактора. Способами, с помощью которых вводят в базовые обла­ сти неравновесные носители и вследствие этого регулиру­ ют величину напряжения переключения, могут быть сле­ дующие: введение носителей с помощью дополнительного третьего электрода, присоединенного к одной из базовых областей, облучение структуры светом или каким-либо ионизирующим излучением, вызывающим появление пар электрон — дырка, нагрев всей структуры или локально­ го участка, вызывающий дополнительную термогенера­ цию носителей, изменение каким-либо способом величи­ ны утечки коллекторного перехода (при постоянном на­ пряжении) и емкостный ток утечки коллекторного пере­ хода, обусловленный быстрым возрастанием анодного на­ пряжения (эффект du/dt). Практическое применение нашли первые два способа (управление с помощью управляющего электрода и управление с помощью све­ та). Поэтому, более подробно рассмотрим управление величиной напряжения переключения в обычных тири­ сторах с помощью базового электрода и в фототиристо­ рах с помощью света.

Управление базовым током

Для осуществления возможности управления базовым током необходимо, как показано на рис. 6-7, помимо ос­

новной цепи

подключить

к

одной

из

базовых областей

цепь

управления.

При

подаче

 

 

 

тока основных носителей в р-

 

 

 

базу можно независимо от ве­

 

 

 

личины

общего

тока,

проте­

 

 

 

кающего в цепи нагрузки, воз­

 

 

 

действовать

*на

коэффициент

 

 

 

усиления

условного

триода

и

 

 

 

произвольно

увеличить

 

или

 

 

 

уменьшить ток его эмиттерно-

 

 

 

го

р-я-перехода.

Ясно,

что,

Рис. 6-7. Триодное включе­

взяв ток базы этого

триода до­

ние р-/г-р-п-структуры.

статочно

большой

величины,

 

 

 

можно привести

я-р-я-триод

в режим

насыщения, т. е.

сместить

его

коллекторный

р-я-переход в прямом на­

правлении. Очевидно, что

при этом вся р-я-р-я-структу-

ра окажется

в состоянии

высокой

проводимости. Введе-

135

ние положительного тока управления отразится в урав­ нении (6-8), описывающем поведение р-я-р-я-структуры при малых токах, появлением дополнительного члена в правой части, а именно:

/ко =

/ (1 aiM „—azMp)

 

—I6aiMn.

 

(6-14)

Как видно из (6-14), наличие тока управления при­

водит к тому, что переход

от

положительных

значений

 

 

тока /ко к отрицательным, со­

 

 

ответствующим смещению кол­

 

 

лекторного перехода в

прямом

 

 

направлении,

достигается

при

 

 

меньших значениях тока /к о

 

 

через

структуру.

Семейство

 

 

вольт-амперных характеристик

 

 

р-я-р-я-структуры, снятое при

 

 

различных

токах управления,

 

 

представлено

на рис. 6-8.

Из

 

 

рисунка следует, что напряже­

Рис. 6-8. Вольт-амперная

ние

переключения

 

р-п-р-п-

структуры с ростом тока умень­

характеристика

р-п-р-п-

структуры при

различных

шается. При достаточно

боль­

шом

токе

управления

можно

токах управления.

 

 

сделать это напряжение

столь

малым, что вольт-амперная

характеристика

не

будет

содержать участка с дифференциальным

отрицательным

сопротивлением. В таких случаях говорят, что происхо­ дит спрямление вольт-амперной характеристики, а соот­ ветствующий ток управления называют током управле­ ния— спрямления.

Управление светом

Рассмотрим четырехслойную структуру, изображен­ ную на рис. 6-9. Структура освещается равномерно по всей площади, параллельной плоскостям р-л-переходов, внешнее напряжение приложено к крайним слоям и является прямым.

Встационарном режиме вследствие принципа элек­ тронейтральности должно выполняться равенство элек­ тронной и дырочной составляющих рекомбинационного тока в каждом слое структуры.

Всоответствии с обозначениями рис. 6-9 для каждой

130

 

 

#1

 

 

 

 

(MM

 

 

 

(Mil

%\

 

 

 

 

 

2=

 

 

 

 

 

 

$ 4

 

 

 

 

/

\

 

 

 

 

/

 

 

 

 

 

o-

 

 

 

 

Поток

з/гектронов

• — —

Лоток

Л/рок

О

Генерация

Рекомбинация

Рис. 6-9. Четырехслойная структура со

схематическим

изображе­

нием потоков дырок и

электронов.

 

 

 

базовой области можно записать определенные соотно­ шения. Например, для р-базы

A « = ( / + / f , ) Y i ( i - р \ ) - / / п , - ' / « 2 - / п к ;

1

/ Р . = С + Т

А + hp, +

/ / Р , + /рк - (/ + //,) (1 -

Y,)- J

 

 

 

(6-15)

Аналогичные равенства можно записать и для п-

базы.

 

 

 

Приравняв

выражения

(6-15) между собой, получим:

/ ( 1 — ai—аг) =

I ко+1 JIU2+I ц+1ssa.2

(6-16)

(коэффициенты умножения М считаем равными еди­ нице).

В выражениях (6-15) и (6-16) / п 2 и 1Рг — соответст­ венно электронная и дырочная составляющие рекомбинационного тока; 7/ь" //2 и //з — фототоки, возникающие вследствие разделения соответствующим р-л-переходом генерированных светом носителей.

При отсутствии освещения, т. е. при / / 1 = / / 2 = / / з = 0,. получим выражение для четырехслойной структуры в случае двухэлектродного включения, которое опреде­ ляет темновую характеристику структуры.

Из выражения (6-16) следует, что при освещении ве­ личина тока, протекающего через структуру, будет опре-

137

делиться совместным действием фототоков через перехо­ ды и собственным током обратносмещенного коллектор­ ного перехода. Это приводит к изменению темновой вольт-амперной характеристики.

Построим вольт-амперную характеристику четырехслойной структуры при освещении, пользуясь методикой, предложенной в [Л. 6-4]. На рис. 6-10,а приведена по­ строенная графическим методом темновая вольт-ампер­ ная характеристика. Кривая / есть колоколообразная функция, характеризующая зависимость собственного то­ ка обратносмещенного коллекторного перехода от тока, протекающего через структуру. Кривая 2 является вольтамперной характеристикой центрального р-/г-перехода. Кривая 6 описывает характер изменения примерного ко­ эффициента усиления р-я-р-я-структуры от тока. На рис. 6-10,6 построена вольт--амперная характеристика той же структуры при освещении.

Из рисунка видно значительное влияние освещения на вольт-амперную характеристику, появился участок'характеристики 5 (be), расположенный в четвертом квад­ ранте, уменьшилась величина максимального напряже­ ния на структуре (точка а). Изменение вольт-амперной характеристики связано с изменением вида колоколообразной функции (кривая 7 вместо кривой / ) .

Как следует из [Л. 6-4], при наличии дополнительных токов через коллекторный переход следует пользоваться так называемой приведенной колоколообразной функ­ цией, получаемой из первоначальной (кривая / ) вычита­ нием дополнительного члена. В нашем случае таким чле­ ном будет

 

/ /1 Cti + / / 2 + / / 3 « 2 .

(6-17)

 

В результате этого уменьшается максимальная вели­

чина тока 1ко, что приводит к уменьшению

максимально^

го

напряжения на структуре (точка а).

Кроме того,

в

связи с наличием фототоков в переходах структуры

напряжение на коллекторном переходе становится поло­ жительным левее точки е. В этой области коллекторный переход начинает инжектировать носители. Левее точки е преобладающим фактором, влияющим на вид вольтамперной характеристики, является способность структу­ ры генерировать э. д. с. при освещении.

Суммируя кривые 3 и 4, получаем вольт-амперную характеристику структуры при освещении. В связи с тем, что начальный участок кривой 3 располагается в чет-

138

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ