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

вертом квадранте, вольт-амперная характеристика четырехслойной структуры при наличии освещения и внешне­ го напряжения, приложенного в прямом направлении, оказывается расположенной в двух квадрантах. Это свя­ зано с возникновением электродвижущих сил в р-п-пе- реходах структуры при освещении. Ток при U=0 равен по величине току короткого замыкания /к .з; напряжение при / = 0 равно напряжению холостого хода Uxx. С ро-

лгкгг

Рис. 6-11. Семейство вольт-амперных характеристик р-п-р-п-структу- ры при различных условиях освещенности.

стом уровня освещенности, характеризуемого увеличе­ нием фототоков Ifi, Ifz, If3, будет увеличиваться участок be и уменьшаться напряжение включения.

На рис. 6-11 приведены экспериментально измерен­ ные вольт-амперные характеристики четырехслойной структуры, освещаемой монохроматическим светом с раз­ личной удельной мощностью. Видно увеличение участка характеристики, расположенного в четвертом квадранте, и уменьшение напряжения включения с ростом уровня освещенности. Таким образом,-роль члена ha\ в выра­ жении (6-14), который меняется с изменением величины базового тока /б и тем самым регулирует величину на­ пряжения переключения в случае фототиристора, играет величина Ifi-ai+lfz+Ijsaz, которая меняется с изменением уровня освещенности.

140

Г л а в а с е д ь м а я

С Т А Т И Ч Е С К И Е В О Л Ь Т - А М П Е Р Н Ы Е Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И р - я - р - я - С Т Р У К Т У Р Ы

7-1. СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

р-и-р-п-СТРУКТУРЫ В ОБЛАСТИ НИЗКОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Целью анализа статической вольт-амперной характе­ ристики /?-я-/?-я-структуры является выяснение зависимо­ сти рассмотренных выше ее основных параметров от свойств исходного материала, геометрии и других фак­ торов для обеспечения возможности сознательного под­ хода к расчету и проектированию прибор'ов, обладающих требуемыми статическими и динамическими характери­ стиками.

Параметры вольт-амперной характеристики четырех­ слойной р-я-р-я-структуры определяются, во-первых, вольт-амперной характеристикой центрального коллек­ торного /7-я-перехода, а во-вторых, зависимостью полно­ го (суммарного) интегрального коэффициента усиления от тока через всю структуру с учетом тока управления, если он имеется.

Вольт-амперная характеристика коллекторного р-п- перехода при обратных напряжениях, далеких от пробив­

Из приведенных в гл. 2 соотношений ясно, что ток при обратном напряжении на р-я-переходе является мо­ нотонно возрастающей и, следовательно, однозначной функцией приложенною к нему напряжения. Отсюда следует, что появление неоднозначности по напряжению в вольт-амперной характеристике />я-/?-я-структуры мо­ жет быть обусловлено только тем, что величина собст­ венного тока коллекторного р-я-перехода в структуре подчинена условиям рекомбинации токов основных и неосновных носителей зарядов в базовых областях, кото­ рые изменяются при увеличении тока через структуру. Изменение условий рекомбинации носителей зарядов в базовых областях связано, как уже указывалось выше, с изменением коэффициентов усиления по току условных составных триодов и, прежде всего, с ростом коэффици­ ентов инжекции эмиттерных р-я-переходов. Увеличение же коэффициентов инжекции определяется главным об­ разом двумя факторами: наличием омической утечки и

141

процессами рекомбинации в слоях объемного заряда эмиттерных р-я-переходов. В зависимости от того, какой из этих факторов преобладает, наблюдается тот или иной вид зависимости вольт-амперной характеристики от па­ раметров р-я-р-я-структуры. Сначала рассмотрим стати­ ческую вольт-амперную характеристику р-я-р-я-структу­ ры с линейной утечкой в эмиттере.

Проанализируем структуру, изображенную на рис. 6-7, при допущениях, указанных в [Л. 7-1]. Крайние эмиттерные р- и я-области — ъ- "околегированные, средние обла­ сти более высокоомные. Поэтому коэффициенты инжек­ ции эмиттерных р-я-переходов, принимаются равными единице. Время жизни неосновных носителей, их подвиж­ ность в обеих базах считаются постоянными. Кроме того, будем считать, что коэффициенты переноса в базах так­ же постоянны. Наконец, примем, что зависимость коэффи­ циентов усиления от тока определяется лишь наличием омической утечки в эмиттерном-р-я-переходе / 1 . Обрат­ ную ветвь вольт-амперной характеристики коллекторно­ го р-я-перехода /2 будем аппроксимировать степенной функцией. Обозначим ток, протекающий через р-я-пере­ ход J2, I, а ток управления, втекающий в базовую область р-типа, через /г, (см. рис. 6-7). Тогда ток, проходящий

142

Из рис. 6-7 ясно, что ток через р-я-переход /г равен току через р-я-переход /з, поэтому для коллекторного р-я-перехода ] 2 можно записать равенство

где |3i — коэффициент переноса электронов в р-базе; рг— коэффициент переноса дырок в баве я-типа; / 2 п о, hpo — электронная и дырочная составляющие собственного то­

структуру, когда прямое смещение р-я-переходов превы­

Соотношения (7-1) — (7-7) определяют семейство ста­ тических вольт-амперных характеристик р-я-р-я-структу-

143

ры с омической утечкой в одном из эмиттерных р-я- переходов. Для упрощения дальнейшего анализа примем, что коэффициенты умножения дырок и электронов оди­ наковы, причем [Л. 7-1]

Напряжение U± может быть найдено методом после­ довательных приближений из (7-6), в частности, второе приближение дает:

В области вольт-амперной характеристики, соответст­ вующей состоянию р-я-р-я-структуры с низкой проводи­ мостью, роль напряжений Ui и Us по сравнению с паде­ нием напряжения U% на центральном р-я-переходе незна­ чительна и их нужно учитывать лишь при переходе от участка с отрицательным дифференциальным сопротив-

144

лением к области с высокой проводимостью или при на­ личии тока управления по базе, близкого к спрямляю­ щему. В силу этого обстоятельства вольт-амперная ха­ рактеристика четырехслойной структуры при напряже­ ниях порядка нескольких вольт практически полностью определяется уравнением (7-10). Поэтому мы займемся теперь анализом этого уравнения. Прежде всего следует отметить, что (7-10) выражает зависимость напряжения от тока, вообще говоря, неявным образом, так как собст­ венный ток коллекторного р-я-перехода сам зависит от U2. Однако ввиду малости значения /к о его с некоторым приближением можно считать постоянным. Это предпо­ ложение строго выполнялось бы в случае германиевых р-я-переходов, по отношению к которым довольно хоро­ шо применима теория тонкого р-я-перехода. В случае же кремниевых приборов более строгий расчет вольт-ампер­ ной характеристики может быть осуществлен посредст­ вом совместного решения уравнений (7-10) и (7-1) ме­ тодом последовательных приближений.

Найдем теперь ток переключения / п четырехслойной структуры и рассмотрим, как он изменяется в зависимо­ сти от тока управления базы. Вообще говоря, переклю­ чение р-л-р-я-структуры из закрытого состояния в откры­ тое происходит при таком значении тока, которое соот­ ветствует точке касания нагрузочной прямой вольт-ам­ перной характеристики, если нагрузочную прямую пере­ мещать из области больших напряжений в область ма­ лых напряжений. Эта точка зависит, однако, от положе­ ния нагрузочной прямой и является характерной точкой вольт-амперной характеристики. Поэтому в качестве ха­ рактерной точки, соответствующей условному току

ключения, отвечающий нулевому сопротивлению на­ грузки.

Последнее выражение из-за сложности зависимостей

сутствует утечка и меньше роль рекомбинации, так как уровень легирования ниже, достигает насыщения при значительно меньших значениях, тока, чем ai(7J, и, сле­ довательно, в рассматриваемой области токов (dai\dl) <с •C(dai/d/), из (7-15) получим, что

Из (7-16) следует, что при увеличении базового тока должен иметь место рост тока переключения, если в рас­ сматриваемой области токов через р-я-р-«-структуру воз­ растает коэффициент усиления сц(7).

146

Полученный результат относится к уравнению (7-10), выведенному при учете умножения носителей в области объемного заряда коллекторного р-я-псрехода.

Рост тока переключения / я при увеличении тока базы /б связан с тем, что уменьшение напряжения переключе­ ния Un, вызываемое током базы, приводит к уменьшению роли умножения при переключении р-я-р-я-структуры в открытое состояние.

Перейдем к рассмотрению напряжения переключения р-я-р-«-структуры. В общем случае при учете умножения его величина приближенно определяется выражением (7-10). При отсутствии тока базы и эффективной шунтировке первого эмиттерного р-я-перехода /\ для выхода в область токов /, при которых начинается заметный рост ai(I) и может быть осуществлено условие переключения, необходимо довести напряжение на структуре до величи­ ны напряжения загиба оставшейся трехслойной структу­

Этот же результат легко получить и непосредственно из уравнения для тока через трехслойную структуру

/ = / I t 0 M / ( l ^ a M ) ,

если продифференцировать обе части по / и выразить коэффициент М через (7-8). Поскольку в р-я-переходе /з искусственная утечка отсутствует и коэффициент аг(0 достигает насыщения уже при сравнительно малых плот­ ностях тока (порядка долей миллиампера на квадрат­ ный сантиметр), в тех случаях, когда токи утечки в кол­ лекторном р-я-переходе достаточно велики, a*2~cte и формула (7-17) упрощается. В общем случае напряже­ ние переключения равно:

-I п

откуда получаем

Из (7-18) видно, что наличие тока управления базы приводит к снижению напряжения переключения Un-

Однако при наличии эффективной шунтировки в р-я-пе­ реходе ji заметное уменьшение напряжения переключе­ ния начинается с тех токов, при которых диффузионная составляющая становится больше тока утечки. При до­ статочно большом токе управления h можно сделать напряжение переключения равным нулю. Этот ток, как уже отмечалось, называют током управления спрям­ ления.

вольт-амперной характеристики, соответствующая малым значениям токов через структуру, изменяется подобно вольт-амперной характеристике полупроводникового триода в схеме с общим эмиттером. До некоторого зна­ чения тока 1ц через структуру падение напряжения на приборе остается малым (порядка долей вольта), а при дальнейшем увеличении тока начинается резкий рост на­ пряжения. Процессы в приборе при этом аналогичны процессам в полупроводниковом триоде. На начальном участке до появления ступеньки тока 1ц я-р-я-триод на­

Естественно, что величина тока ступеньки 1ц тем больше, чем больше /б и чем выше значение коэффициента уси­ ления я-р-я-триода. В самом деле, в области напряже­

что отличается от соответствующего соотношения для триодов лишь наличием практически постоянного и обыч­ но небольшого (когда w2 велика) члена аг(/), который приводит лишь к большему значению результирующего коэффициента усиления тока базы:

148

Уравнение (7-21) при мо­ нотонном замедленном росте коэффициентов усиления с током может иметь, как вид­ но из рис. 7-2, два, один или ни одного вещественного корня. Последние два слу­ чая соответствуют спрямле­ нию вольт-амперной харак­ теристики структуры. Если

определяет значение тока, при котором происходит об­ ратное изменение знака напряжения на коллекторном я-я-переходе с запорного направления на пропускное; мы будем называть его током инверсии.

7-2. ПАРАМЕТРЫ р-я-р-я-СТРУКТУРЫ ПРИ НАЛИЧИИ ОМИЧЕСКИХ УТЕЧЕК ТОКА В р-я-ПЕРЕХОДАХ

Рассмотрим более простую модель переключения р-я-р-я-струк­ туры, которая математически описывается системой уравнений (7-1)—'(7-3) со следующими дополнительными допущениями. Вопервых, в уравнении 1(7-2) в рассматриваемой области токов рекомбинационной составляющей можно пренебречь. Во-вторых, переклю­ чение анализируется в области напряжений, при которых умножение носителей в центральном р-я-переходе ]г несущественно и поэтому коэффициенты умножения в (7-3) принимаются равными единице. Наконец, в-третьих, считается, что собственный ток коллекторного р-я-перехода линейно связан с приложенным к нему напряжением U%:

В этом случае вольт-амперная характеристика четырехслойной структуры может быть представлена параметрически:

149