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