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

рируются электронно-дырочные пары. Отметим, од­

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

структуру, через /. Тогда дырочный ток, текущий внутрь

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

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

130

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

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

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:

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

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

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

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:

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:

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.

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

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:

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

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

(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

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