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

инжектирует дырки внутрь области п\, то остальной ток через /2 будет состоять из электронов. Поэтому эффек­ тивность, z которой переход /2 инжектирует электроны в область рг, определим как 1—уг- Отношения величин токов, достигающих р-я-переходов ]\ и /2, к полному току р-я-перехода /2 представляют собой инверсные коэффи­ циенты передачи условных триодов, которые равны:

Уравнения токов, текущих внутри прибора, запишем, используя принцип суперпозиции. С этой целью рассмо­ трим токи, возникающие при приложении напряжения отдельно к каждому р-я-переходу, а затем их просумми­ руем.

ный ток через каждый переход можно отыскать, склады­

160

В приборе, находящемся в проводящем состоянии, в котором ток проходит только через два конечных элек­ трода, соблюдается условие h = h = h- Чтобы найти взаи­

[ l + a i ( a „ — a u ) — a 2 < ] [ l + < * 2 ( a u — a 2 t ) — a l t ] e

В структурах, изготавливаемых диффузионным спосо­ бом, р-я-переходы / 2 и / 3 получаются одновременно в ре­ зультате диффузии акцепторной примеси и имеют при­ мерно равные значения токов 1аг и IS3- Вследствие того, что р-база четырехслойной структуры, образуемая по­ средством диффузии, имеет постоянное электрическое по­ ле, ускоряющее движение электронов от эмиттера к кол­ лектору, и концентрация примеси в базе р 2 существенно выше концентрации примеси в базе я2 , а2 г~0. Коэффи­ циент усиления в широкой базе «г — агг также мал у боль­ шинства тиристоров. С учетом этого выражение (7-93) приобретает следующий простой вид:

Напомним, что полученные выражения справедливы лишь для малых уровней инжекции в базах, когда паде­ нием напряжения на их толщах можно пренебречь.

7-5. СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТКРЫТОЙ р-и-р-и-СТРУКТУРЫ ПРИ НИЗКОМ УРОВНЕ

ИНЖЕКЦИИ В ОДНОЙ И ВЫСОКОМ УРОВНЕ В ДРУГОЙ БАЗЕ

Анализ вольт-амперной характеристики р-я-р-я-струк­ туры, находящейся в проводящем состоянии с учетом падения напряжения на широкой базе я-типа был прове­ ден В. А. Кузьминым [Л. 7-5]. Ниже мы даем другой ва­ риант подобного анализа, предложенный А. А. Лебеде­ вым [Л. 7-7] (обозначения те же, что и в цитируемой ра­ боте) .

Предварительно оценим уровни инжекции в обеих базовых областях р-я-р-я-структуры: В широкой базе я-

162

Соотношение (7-102) представляет первое граничное условие рассматриваемой задачи.

Так как ток через все три р-я-перехода структуры одинаков, то второе граничное условие записывается со­ вершенно аналогично условию (7-104), но для эмиттерного р-я-перехода j i , так что

(7-105)

В качестве третьего граничного условия можно взять условие квазинейтральности одной из баз структуры; для широкой я-базы, например, оно записывается так:

Для того чтобы получить последнее, четвертое гра­ ничное условие, достаточно заметить, что напряжение на среднем коллекторном р-я-переходе можно представить двояко:

Решение уравнений (7-97) и (7-98) имеет вид:

164

у всех существующих типов тиристоров с целью получе­ ния больших значений напряжения переключения и об­ ратного напряжения концентрация примесей в узкой ба-. зе делается значительно выше, чем концентрация приме­

165

Записывая выражение для падения напряжения на эмиттерном р-п-переходе / 1 и подставляя в него значение концентрации на границе базовой области, получаем:

определяется обычной формулой Шокли. Для падения на­ пряжения на коллекторном p-n-переходе получаем подоб­ ным же образом

166

коллекторный р-я-переход будет смещен в обратном на­ правлении.

При низких уровнях инжекции мы видели, что необхо­

4 = у д т 1 ; l2=Vd^2.'

Таким образом, при переходе к высокому уровню ин­ жекции в широкой базе условие переключения становит­ ся значительно менее жестким. Более того, если считать, что р-база достаточно узкая, так что cxi>6/(-b + l ) , то из (7-127) следует, что условие инверсии коллекторного на­ пряжения может быть удовлетворено при сколь угодно широкой базе я-типа. Однако не следует забывать, что для этого нужно пропустить, ток, соответствующий высокому уровню инжекции в я-базе. Таким образом, увеличение толщины базовой области хотя и не нарушит условие переключения, но приведет к увеличению как тока пере­ ключения, так и минимального удерживающего тока.

Физический смысл (7-127) заключается в том, что при высоком уровне инжекции в широкой я-базе ток ос­ новных носителей, поступающих в нее из соседней р-ба-

167

удельное сопротивление уменьшается, поэтому эффектив­ ное ускоряющее поле получается меньше, чем при его оценке по формуле E = IR/w2. Формула (7-127) учитывает также и то поле, которое возникает вследствие различия подвижностей электронов и дырок. Следует иметь в виду, что отношение подвижностей b входит в (7-127) как не­ посредственно в виде множителя (b+l)/b, так и в выра­ жение для эффективной диффузионной длины дырок Lzn- Однако при больших значениях w^L^h основную роль играет множитель (Ь + \)[Ь. При Ь = \ он равен 2, а при b^k>l стремится к единице. Это естественно, так как для переключения р-п-р-п-структуры, а точнее, для инверсии знака напряжения на коллекторном р-л-переходе суще­ ственно движение неосновных носителей в широкой базе, а эти носители большую часть своего пути проходят за счет дрейфа в электрическом поле. Таким образом, чем выше подвижность носителей заряда, которые являются неосновными в широкой базе, тем легче выполняется

I , , 1 = 1 / 2 / ( 6 + 1 ) 4 .

Для кремния 6 = 2,4; (Ь + \)1Ь = \А\ 6 + 1=3,4.

Экспериментально эффект переключения в р-п-р-п- структурах, имевших довольно широкие базы л-типа, впервые был обнаружен в [Л. 7-17]. Однако соображения, которые были приведены для его объяснения, можно рассматривать лишь как очень грубую качественную схему.

Падение напряжения на толще базы вычисляется как обычно [Л. 7-18]:

J 68

Учитывая, что второе слагаемое в (7-129) имеет вели­ чину не более kT/q и, кроме того, я г ^ М , имеем:

щающих предложениях. Нетрудно видеть, что величина х не превосходит яУ b/(b + l), что для кремния составляет 1,43. Таким образом, падение напряжения на толще широ­ кой базы экспоненциально увеличивается с ростом отно­

структуре в открытом состоянии определяется главным образом падением напряжения на эмиттерной р-я-пере­ ходе ]\, прилегающим к высоколегированной узкой базе. С учетом падения напряжения на толще широкой базы Uit и сопротивления контактов R v вольт-амперная харак-

169