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

сг/см-

F2

2

'Y Р

также перестает зависеть от величины Р+. С уменьшением значения

(у/

180

ной из собственного полупроводника). Так как величина N+ выбрана весьма высокой, a a>j,/L<Cl, то влияние эмиттера я+-типа на уве­ личение падения напряжения на структуре незначительно.

На рис. 7-12 приведена зависимость падения напряжения на базе я-типа Обп от времени жизни т для двух значений плотности тока. Эти зависимости аналогичны зависимостям Холла ГЛ. 7-13] для pinдиода (при постоянном уровне плотности тока):

Однако в работах Холла [Л. 7-13] и В. А. Кузьмина (Л. 7-14] величина Uen не зависит от плотности тока в явном виде, так как этими авторами не были учтены уменьшения эффективности эмитте­ ра и рассеяние носителей на носителях.

Из рис. 7-12 эта зависимость видна. Экспериментальные резуль­ таты достаточно хорошо совпадают с расчетными [Л. 7-4]. Однако численный расчет не дает наглядного аналитического выражения рассматриваемых зависимостей. Для грубой оценки влияния рассея­ ния носителей на носителях можно рассмотреть случай, когда коэф­ фициенты диффузии дырок и электронов зависят от координаты при большом уровне инжекции. Взяв производные по х от выражений для токов в (2-82) и воспользовавшись уравнением непрерывности, получим:

а также условие, что при большом уровне инжекции п—р, и исклю-

альное уравнение, описывающее распределение дырок и электронов

в условиях большого уровня инжекции и с учетом рассеяния носи181

где Dno — коэффициент диффузии электронов при малом уровне ин­

Как следует из этого уравнения, форма кривой распределения носителей зависит от плотности тока. При большом уровне инжек­

где а—'Постоянная интегрирования, зависящая от граничных усло­ вий.

182

Г л а в а в о с ь м а я

Н Е С Т А Ц И О Н А Р Н Ы Е П Р О Ц Е С С Ы В р - п - р - л - СТРУКТУРЕ

Как было показано выше, р-л-р-л-структура, включен­ ная в прямом направлении, может находиться в двух устойчивых состояниях: с высокой проводимостью и с низкой проводимостью. Эффективность работы р-п-р-п- структуры как переключателя, особенно на высоких ча­ стотах, определяется ее способностью быстро переходить из одного устойчивого состояния в другое. Рассмотрению нестационарных процессов в р-л-р-я-структуре, выявле­ нию зависимостей между длительностями переходных процессов и электрофизическими параметрами р-п-р-п- структуры посвящена настоящая глава.

8-1. ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВКЛЮЧЕНИЯ р-п-р-я-СТРУКТУРЫ

Перевод р-я-р-я-структуры в открытое состояние (включение р-л-р-л-структуры) может осуществляться несколькими способами — с помощью анодного напряже­ ния, равного напряжению переключения; с помощью тока управления; облучения р-л-р-л-структуры светом; с по­ мощью емкостного тока утечки коллекторного перехода при быстром нарастании анодного напряжения. Однако физическая сущность всех этих методов заключается во введении тем или иным способом в базовые области че­ тырехслойной структуры некоторого количества основных носителей, причем способ введения носителей не является определяющим.

В силу этого, а также из-за того, что наибольшее распространение получил способ переключения р-л-р-л- структуры с помощью базового тока управления, ниже будем рассматривать переходный процесс включения с помощью импульса базового тока.

Исследования процесса включения четырехслойных структур показывают, что его длительность складывается из длительностей следующих этапов: собственного вре­ мени задержки t3o, времени накопления критического за- . ряда tB(tao + tn — время задержки), времени лавинного нарастания тока через структуру /ф (время фронта) и времени установления стационарного состояния tY.

На рис. 8-1 представлены типичные осциллограммы тока и напряжения при включении тиристоров, Собствен-

184

ное время задержки t30 представляет то минимальное время, после которого начинается лавинный рост тока через структуру. Оно связано с диффузией и дрейфом неосновных носителей заряда в базовых областях прибо­ ра, включенного в силовую цепь, при подаче отпирающе­ го импульса в цепь управления. До тех пор, пока инжек­ тированные эмиттерными переходами носители не до­ стигли коллектора, ток .gj

через прибор практически отсутствует. Очевидно, что величина собственно­ го времени задержки дол­ жна быть порядка време­ ни пролета, т. е. невелика.

Помимо собственного времени задержки в ти­ ристорах существует еще задержка во времени (включающая в себя t30), связанная с накоплением в базовых областях кри­ тического заряда, необхо­ димого для начала лавин­

ного роста тока. Очевидно, что это время зависит в первую очередь от величины тока управления и от величины анодного напряжения на тиристоре в момент включения. При токах управления, значительно превышающих токи управления — спрямления, время накопления может быть уменьшено практически до собственного времени за­ держки.

Время фронта определяет продолжительность процес­ са лавинного нарастания анодного тока до максималь­ ной величины, определяемой сопротивлением нагрузки цепи. Последний этап включения характеризуется тем, что ток через структуру достиг практически своей мак­ симальной величины, в то время как' напряжение на структуре еще сравнительно велико по сравнению с на­ пряжением на открытой структуре и продолжает асим­ птотически приближаться к стационарному значению. В результате этого процесса может происходить инвер­ сия знака напряжения на коллекторном переходе. Для одномерной модели структуры физическая сущность это­ го процесса связана с установлением стационарного рас­ пределения концентраций неравновесных носителей в ба-

185

зовых областях. В реальных тиристорах с большой пло­ щадью четырехслойных структур время установления стационарного состояния определяется в основном вре­ менем распространения включенного состояния по всей площади структуры. i

На практике при включении тиристоров для умень­ шения времени включения ток управления выбирают до­ статочно большим, так что время включения тиристора до максимального значения анодного тока определяется только временем фронта /ф. Рассмотрим подробнее этот процесс.

Процесс лавинного нарастания тока

В основу предлагаемого анализа положены результа­ ты работы [Л. 8-1]. Все процессы рассматриваются для малого уровня инжекции, и используются обычные допу­ щения теории транзисторов. Электрическое поле в базах предполагается отсутствующим. Коэффициенты инжек­ ции принимаются равными единице. Предполагаем, что собственный ток обратносмещенного коллекторного пе­ рехода равен нулю. Последнее обстоятельство весьма существенно для вида вольт-амперной характеристики. А именно, в рассматриваемом случае вольт-амперная ха­ рактеристика имеет два стабильных состояния, причем ветвь характеристики, отвечающая закрытому состоянию рассматриваемой модели структуры, близка к реальной.

Рассмотрим процессы движения неосновных носите­ лей заряда, инжектированных в базовые области струк­ туры. В нестационарном случае для электронов в р-базе имеем уравнение

Уравнение непрерывности для дырок в /г-базе

(обозначения те же, что и в § 7-5 и на рис. 7-5). Граничные условия на коллекторном р-я-переходе при

х=0 запишем в следующем виде:

пренебрегая при этом значением равновесных концентра­ ций неосновых носителей по сравнению со значением не-

186

равновесных концентраций. Эти граничные условия со­ ответствуют рассмотрению процесса включения до тех пор, пока напряжение на коллекторном переходе оста­ ется запорным.

лей, введенных в р-базу, приходящийся на единицу пло­ щади.

(8-3), (8-4), (8-5) позволяют полностью описать переход­ ный процесс включения структуры при указанных выше

187

где No — Qolq — число введенных в базу основных носи­ телей, приходящихся на единицу площади р-п-перехода.

Решение уравнений (8-6) и (8-7) с граничными усло­ виями (8-8) — (.8-10) имеет вид:

Для изображения тока получаем из (8-11):

Операторное изображение тока Y(p) через p-n-p-n- структуру при включении ее б-импульсом может быть довольно просто получено и другим способом. А именно, если воспользоваться общепринятой эквивалентной схе­ мой структуры в виде соединения двух полупроводнико­ вых триодов, включенных по схеме с общим эмиттером, то

где <Pai(p) и Фэг(р)—изображения переходных харак­ теристик полупроводниковых триодов для схемы с об­ щим эмиттером, полученные в [Л. 8-2]:

Подстановка (8-15) в (8-14) приводит к (8-13).

188

а) Переходные характеристики включения симметричной р-п-р-п-структуры

Для упрощения анализа рассмотрим сначала случай

удобным является другое представление тока, которое легко получить, разложив (8-16) в ряд по экспонентам и перейдя в каждом члене к оригиналу

л=1

где а = 2 + 1 / 3 ; р = 2 — / 3 .

Формулы (8-17) и (8-18) описывают изменение тока через симметричную структуру при включении ее током базы, имеющим форму 6-функции.

При включении симметричной структуры током базы, имеющим форму единичной функции, вместо (8-16) бу­ дем иметь следующее изображение тока:

ch 7 7 К 1 +{п — 2 J р

189