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

герметика р-«-р-п-структуры в открытом состоянии может быть представлена в виде

7-6. СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТКРЫТОЙ р-я-р-п-СТРУКТУРЫ ПРИ ВЫСОКОМ УРОВНЕ

ИНЖЕКЦИИ В ОБЕИХ БАЗАХ

У большинства существующих типов тиристоров в об­ ласти рабочих токов высокий уровень инжекции дости­ гается только в одной (слаболегированной) базе. Однако, как это будет детально рассмотрено в главах, посвящен­ ных нестационарным процессам, для повышения быстро­ действия тиристоров целесообразно, чтобы степень леги­ рования базовых областей была примерно одинаковой. При этих условиях высокий уровень инжекции может быть достигнут в области рабочих токов в обеих базовых областях. В связи с этим представляет интерес проана­ лизировать поведение р-п-р-/г-структуры в предположе­ нии, что высокий уровень инжекции достигается в обеих базах. Такой анализ представляет тем больший интерес, что ведет к совершенно новым выводам относительно условий переключения четырехслойных структур и от­ крывает ряд новых технологических возможностей для вариаций различных параметров тиристоров [Л. 7-1].

Анализ будем проводить при тех же предположениях, что и выше. При этом уравнение движения дырок в базе «-типа (7-98) остается неизменным. Движение электро­

170

Из (7-135) в случае низкого уровня инжекции полу­ чаем:

Граничное условие при x = w% остается тем же (7-102). Граничным условием при х = —до4 является соотношение, аналогичное (7-138). На коллекторном р-я-переходе так­ же имеем два граничных условия. Первое записывается на основе того, что сумма электронного и дырочного то­ ков равна полному току ч'ерез структуру:

Второе граничное условие на коллекторном р-я-пере- ходе в рассматриваемом случае отличается от (7-108). Действительно, поскольку в обеих базовых областях предполагается высокий уровень инжекции, то концен­ трации как неосновных, так и основных носителей значи­ тельно выше равновесных и приблизительно равны меж­ ду собой. При этом напряжение на коллекторном р-я- переходе отличается от контактной разности потенциа-

171

лов на величину порядка kT/q и приближенно можно считать, что

В общем случае эти коэффициенты выражаются через

Соотношения (7-143) — (7-148) позволяют вычислить падения напряжения как на отдельных р-я-переходах, так и на толще базовых областей. Падение напряжения на эмиттерном р-я-переходе, прилегающем к базе р-типа, равно:

172

или

ния Шокли для р-я-перехода с широкой базой удвоенным значением коэффициента диффузии и эффективной диф­ фузионной длиной. Это уравнение, как и следовало ожи­ дать, совпадает с соответствующим выражением для то­ ков через одиночный р-я-переход, полученным В. И. Стафеевым, для случая высокого уровня инжекции.

к тому случаю,- когда высокий уровень инжекции имеет место только в слаболегированной базе, и тем не менее она может быть переведена в открытое состояние. Ми­ нимальный удерживающий ток через структуру в этом состоянии определяется условием tii(0)=N2 (если уро­ вень легирования р-базы выше), откуда получаем, что ток переключения, равный удерживающему току, выра­ жается следующим образом:

Для включения подобной структуры требуемый ток может быть создан либо за счет большой скорости на-

173

растания анодного напряжения, либо за счет использо­ вания коллекторного p-n-перехода с лавинной характе­ ристикой.

Физический смысл этого явления тот же, что и в рас­ смотренном выше случае, когда высокий уровень инжек­ ции достигался только в одной базовой области. Однако если переход к высокому уровню инжекции в одной базе позволял ослабить необходимое условие переключения

Для того" чтобы оценить, влияет ли переход к высо­ кому уровню инжекции в обеих базах на величину паде­

так что

(7-157)

Вычисление падения напряжения на толще базовых областей показывает, что в р- и «-базах эти падения одинаковы и выражаются при w/Lh>\ следующим обра­ зом:

т. е. соответствуют формуле (7-132).

174

Вольт-амперная характеристика структуры в этом случае описывается соотношением

7-7. СТАТИЧЕСКАЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТКРЫТОЙ р-я-р-я-СТРУКТУРЫ ПРИ ВЫСОКОМ УРОВНЕ

ИНЖЕКЦИИ В ОБЕИХ БАЗАХ С УЧЕТОМ РАССЕЯНИЯ НОСИТЕЛЕЙ НА НОСИТЕЛЯХ

Уравнения, описывающие вольт-амперную характеристику от­ крытой р-я-р-я-структуры, 'были получены выше в аналитической форме при целом ряде ограничивающих предположений. Если учесть такие явления, как рассеяние

кэмиттерам принимаются омическими;

5)пренебрегается электрическими полями в эмиттерных об­

ластях;

6)переходы считаются тонкими;

175

7)величина времени жиаии постоянна по длине каждой области;

8)во всех областях выполняется принцип нейтральности за­

рядов;

9)в обеих базах я = р » \ЫЯ—Afa|, т. е. соблюдается высокий уровень инжекции. Этим условием определяется нижний предел при­ менимости расчета по плотности тока.

Схематическое изображение p-re-p-n-структуры с типичным рас­ пределением легирующих примесей приведено на рис. 7-6. Если при­ нять, что изменение подвижности (а следовательно, и коэффици­ ентов диффузии) носителей вследствие рассеяния носителей на но­

Физический смысл первого из этих уравнений, так называемого «уравнения биполярной диффузии», заключается в том, что при вы­ полнении п. 9 в каждой из базовых областей необходимо учитывать диффузию носителей обоих знаков.

Для базы р-типа (рис. 7-6) распределение носителей получается из решения первого из уравнений (7-160):

(7-161)

где * = 0 в точке с.

176

где х = 0 в точке а;

sh-

W

где х=0 в точке

Концентрация носителей на каждом из переходов ]\, ]г, /з может быть выражена через соответствующие напряжения на этих перехо­ дах сЛ, 1)г и Us- Например, для перехода /з [ Л . 7-5]:

где Р+, N — концентрация легирующих примесей в областях р+ и п соответственно; фкз — контактная разность потенциалов для пере­ хода /3 .

Аналогичным образом выглядят выражения для концентраций носителей на переходах /2, j i . Вышеприведенная система нелиней­ ных алгебраических уравнений с учетом 1(7-165) и величин напряже­ ний на переходах Uu U2 и U3 решалась методом итераций на циф­ ровой вычислительной машине ( Л . 7-4].*

В каждой точке толстой базы от d до f подвижность и другие,

что изменение величины подвижности вдоль базы незначительно, при вычисленнии на ЦВМ была учтена зависимость подвижности от кон­ центрации. Значения подвижпостей электронов и дырок с учетом

178