Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1306 вузов, 5172 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Башкирский Государственный Аграрный Университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

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

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
24.10.2023
Размер:
9.71 Mб
Скачать
☆

Как и следовало ожидать, выражение для / б . к р совпа­ дает с выражением для тока управления — спрямления, полученного нами при анализе статической вольт-ампер­ ной характеристики четырехслойных структур с учетом

только рекомбинации

в

слое

объемного

заряда (см.

г л . 7 ) .

 

 

 

 

 

Из выражения (8-47)

видно, что время

накопления

тем меньше, чем больше сумма коэффициентов

переноса

в базовых областях

превышает

единицу и

чем

больше

ток управления превышает критическое значение. На

рис. 8-6 представлена расчетная зависимость

(8-47).

Для случая линейной утечки в эмиттерном

переходе

время накопления в общем виде выражается

формулой

[Л. 8-5]

да,

 

а УЗ (ch

 

- sh —г—

 

 

 

-sh L x

 

X

 

 

I 2 9 ,

 

 

 

 

 

Wi

 

kT

 

kT

sh - r —

X l n

l n -

 

(8-48)

qRyTIe

qn£PD1

 

qKYT

ch-

Если токи управления таковы, что hRy велико, то, разлагая логарифмы в ряд ( I n ( х + 1 ) =х при малых х], выражение (8-48) преобразуем следующим образом:

(8-49)

где

kT

,

kTh

 

 

 

 

•б.кр =-»-„— In

qRyt

 

 

Уъ [ch

 

-sh

ay,

/. = •

 

 

 

~T7

qripW

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

Нетрудно видеть, что и

в данном

случае величина

/б.кр практически совпадает с током управления — спрям­ ления для омической утечки в эмиттерном переходе (см. гл. 7).

Из выражения (8-49) следует, что время накопления уменьшается обратно пропорционально току управления и тем меньше, чем больше сумма-коэффициентов перено-

200

са превышает единицу. Естественно, что с увеличением эффективности шунтировки время накопления увеличи­ вается, что также следует из выражения (8-49).

Процесс установления стационарного состояния

Лавинное нарастание тока через структуру ограничи­ вается сопротивлением нагрузки и напряжением источ­ ника питания. Однако и после достижения анодным то­ ком своего максимального значения / т , т. е. при ^ > ^ н + +'/ф, падение напряжения на структуре еще не достигло своего стационарного значения. Физический смысл этого процесса в случае равномерного включения структуры по всей площади заключается в том, что начиная с мо­ мента достижения током значения 1т градиенты концен­ траций носителей у эмиттерных и коллекторного пере­ ходов, пропорциональные этому току, остаются постоян­ ными. Однако, из коллектора в каждую из базовых областей продолжают поступать основные носители, за счет чего экспоненциально увеличиваются их концентра­ ции по обе стороны от коллектора. Образование у гра­ ниц коллектора повышенной концентрации неравновес­ ных основных носителей приводит к появлению диффу­ зионных противоположно направленных потоков неосновных носителей. Формально это соответствует инверсии коллекторного напряжения и инжекции коллек­ торным переходом неосновных носителей. Физический смысл этого процесса заключается в уменьшении пото­ ков основных носителей через коллектор в базовые обла­ сти. Установление стационарного состояния состоит в полном уравновешивании исходных потоков основных носителей возникшими диффузионными потоками неос­ новных. Рассмотрим этот процесс для случая низ'кого уровня инжекции [Л. 8-7]. Движение неосновных носите­ лей в базовых областях описывается уравнениями (8-1) и (8-2). Граничные условия у эмиттерных переходов, со­

гласно физической

картине

процесса, имеют вид

(обо­

значения те же, что на рис. 7-5):

 

 

 

 

drii

 

 

' qDi

'

дх

 

 

(8-50)

 

дх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия

на коллекторном

переходе

 

n J

^

I

-

D

2

'

= — ;

- ^ _ = _ 2 ! _ .

(8-51)

1

дх

|

п

2

ox |^,_n

q

п0 ,

п 0 2

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

201

Вследствие того, что коллекторная емкость четырехслойных структур имеет величину (см. гл. 2) С---103 пкф, даже при очень больших нагрузочных сопротивлениях до сотен ом постоянная времени разряда этой емкости ме­ нее 10~7 сек. Таким образом, влиянием разряда емкости коллекторного перехода можно пренебречь.

Начальные распределения концентраций неосновных носителей получаются из уравнений (8-11) и (8-12) при

условии t>0,2

V 0102. Решение

уравнений (8-1) и (8-2)

с полученными

граничными и

начальными условиями

приводит к тому, что изменение падения напряжения на

коллекторном

переходе описывается

выражением

 

 

( 2 L _ / r ( X )

e,

m)'-fe~Pbt

1. (8-52)

где

 

 

 

 

 

Р ь

Ту ~ -с,

2 8 , ~ " ъ2

2 8 . ; \ < Л >

 

а коэффициенты by и Ь2 находятся из следующей систе­ мы уравнений:

 

 

(8-53)

°\

°2 Й 2

—- ,* •

Остальные функции

и

коэффициенты, входящие

в выражение (8-52), описываются следующими форму­ лами:

F l z ,

6, т)———г-

/ —

(ch b. -f- cos bs

— ch b. cos ЬЛ —

4

' '

Ь (x, 6, m)

i ръ K

1 1

2

1

2 7

 

 

(ch a2

— cos 62 ) ch 6,

 

 

 

 

(ch a, — ch fe,) cos

62

\

 

 

~

* * - ( * - ) " [ - ( * - Л

r

 

202

<p, (t, б,

т)=^ф-

shbl

cos&2

• - ^ s i n & , c h & 1 +

+

imA +

ch 6, cos 6 2 + ^m.G,

—

 

— m2 62 -^A

sin 62

sh bt;

 

m, =

Концентрация электронов в базовой области р-типа описывается следующим выражением:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(8-54)

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

п.

. ( • *) =

«01

qD,M axsa

ih-fl—f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

*-2

 

 

 

+

( l - a 2 ) 5 ,

( h - p -

sh

 

<?Af

(a, +

a2

- l ) c h - f ;

 

 

« I H W = F(T, m, 6 ) ^ - c h ^ - K - ^ ) ;

 

 

 

 

 

 

 

 

t h -

 

:sech

- y 2 -

 

 

 

 

 

 

 

 

:sech

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С

 

«02_^2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£1

 

 

 

 

Изменения напряжений на эмиттерных переходах

 

процессе

установления

и

\ и

 

'Омхсе

к

так малы, что их можно

не

 

 

 

 

Юма

 

принимать

во внимание.

На

L0

 

 

 

 

 

рис.

8-7

приведены

рас­

 

 

 

 

 

четные

кривые

изменения

 

 

 

 

 

 

падений

напряжения

на

пе­

0,5

•t

 

 

 

 

реходах

структуры

и

на

 

 

 

 

 

 

структуре в целом в процес­

 

 

 

 

 

 

се установления

стационар­

 

s\f0

ts

г0

25 ЛItcxceK

ного

состояния.

В

случае,

 

 

 

 

 

 

 

если в обоих базовых обла­

-о,5\

 

 

 

 

 

стях

выполняются

условия

 

 

 

 

 

ffi>i/Li<l

и

Ш г / ^ 2 < 1 , посто­

Рис.

8-7.

Изменение

падений

янная времени

установления

напряжений на

р-я-р-я-струк-

стационарного

 

состояния

туре

и ее р-я-переходах в про­

 

цессе

установления стационар­

описывается следующим

вы-

ного

состояния.

 

 

2 0 3

ражением:

Отметим еще то обстоятельство, что в процессе уста­

новления

заряд в

базовых областях

(для

симметричной

структуры) изменяется от

Q m = — / т й У 2 / 2 Л а 2 до макси­

мального

значения

Qoc = — I m L z / 2 D ,

таким образом, это

изменение

равно

квадрату

отношения

диффузионной

длины L к эффективной длине wja распределения кон­ центрации в процессе лавинного роста тока.

8-2. ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВЫКЛЮЧЕНИЯ р-я-р-я-СТРУКТУРЫ

Экспериментальные исследования показывают, что практически быстродействие р-я-р-я-структур опреде­ ляется процессами выключения.

Существуют три способа выключения р-я-р-я-струк­ туры, т. е. перевода ее из состояния с высокой проводи­ мостью в состояние с низкой проводимостью.

Первый наиболее распространенный в настоящее время способ заключается в том, что в структуре при­ кладывается напряжение обратной полярности.

При втором способе на время выключения с р-я-р-я- структуры снимается прямое напряжение в основной цепи или же эта цепь разрывается. Такой способ приме­ няется в тех случаях, когда время выключения р-я-р-я- структуры практически не существенно, поэтому его ана­ лиз не представляет особого интереса.

Наконец, третий способ заключается в том, что структура, через которую протекает ток, выключается без снятия прямого напряжения путем подачи в цепь

управления

запирающего тока. Поскольку этот способ

в настоящее

время реализуется для сравнительно не­

больших, порядка ампер, токов, в дальнейшем основное внимание будет уделяться рассмотрению первого спосо­ ба выключения.

При приложении к открытой р-я-р-я-структуре по­ стоянного обратного напряжения через нее начинает про­ текать ток, постепенно убывающий до величины обрат­ ного тока высоковольтного эмиттерного перехода. Ха­ рактеристика выключения р-я-р-я-структуры, изображен­ ная на рис. 8-8, содержит четыре участка. На первом 204

участке ток выключения постоянен. При этом если со­ противление нагрузки существенно больше сопротивле­

ния

открытой p-n-p-n-структуры,

ток определяется

как

/во =

£ о / $ н , где

£ 0 = const — напряжение иточника

пита­

ния.

В течение

этого процесса

происходят

изменение

знака градиента

концентрации неравновесных

носителей

в базах прибора и снижение концентраций вблизи эмиттерных переходов. Этап заканчивается уменьшением до

нуля значения

концентра-

t

t t

ции неосновных носителей

в—ЖЛ

I '

вблизи эмиттерного

пере­

 

 

хода 3 в узкой р-базе (см.

 

 

рис.

8-9). Это соответству­

rlf\

 

ет смещению

этого

эмит­

 

тера

в обратном направ­

J T

лении.

 

 

 

 

 

 

Второй

участок

вы­

Рис. 8-8. Переходная характери­

ключения

соответствует

стика

выключения р-п-р-п-струк-

/по

времени

отрезку

iB2—

туры.

 

tBi.

В

течение

этого

про­

 

 

межутка времени происходит уменьшение тока через структуру, связанное с тем, что увеличивается напряже­ ние эмиттерного перехода /3 . Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на / 3 не достигнет величи­

ны напряжения

пробоя (момент времени / в г ) .

по­

Следующий

участок

характеристики —• участок

стоянства тока — соответствует по времени

отрезку

гв 3 —

tEz. Ток через

структуру

в течение этого

промежутка

времени определяется соотношением

 

 

E„-U. п£з

Ян

где Unp3 — напряжение пробоя эмиттерного перехода /3 . Этот этап соответствует дальнейшему уменьшению кон­ центрации неравновесных носителей вблизи перехода ji. Постоянство тока сохраняется до тех пор, пока кон­ центрация неравновесных носителей вблизи перехода / i не станет равной нулю, а сам переход Д окажется сме­ щенным в обратном направлении.

Последний участок характеристики выключения соот­ ветствует уменьшению тока через р-п-р-п-структуру, обусловленному ростом обратного напряжения на эмиттерном переходе j\. Если эмиттерный переход /3 зашунтирован, то первые два участка характеристики выклю-

205

чення отсутствуют и начальный участок характеристики проходит так, как указано на рис. 8-8 пунктиром, т. е.

характеристика

выключения

 

р-я-р-п-структуры состоит

из

двух участков: участка

постоянства тока, который

в

дальнейшем

по аналогии

с

теорией транзисторов бу­

дем характеризовать временем

рассасывания

/ р а с , и уча­

стка спада тока. Время, в течение которого

происходит

уменьшение тока выключения, назовем временем спада ten, время выключения гв , следовательно, равно сумме времен рассасывания и спада. В работе [Л. 8-8] показа­ но, что процесс выключения диффузионной р-я-р-я-струк- туры можно представить как запирание насыщенного транзистора с широкой базой при токе базы, равном нулю, и эффективности эмиттера, равной единице. Пос­ ле прекращения прямого тока или мгновенной подачи обратного напряжения заряд в базе убывает только за счет рекомбинации по закону

Qn(t)=Qnae-th>:,

(8-56)

где Q „ o — начальный заряд

в

n-базе

структуры.

Учитывая сказанное и

то,

что в

активном режиме

ток коллектора триода пропорционален избыточному за­

ряду базы [см. (5-111)], кривую тока выключения

мож­

но описать следующими

соотношениями:

 

 

 

0 < f < f P a c ,

/ = / в ;

 

 

 

f S & r

I — I P ~ t l 4

 

 

 

Для того чтобы определить

времена > i p a c ,

^сп,

tB,

необ­

ходимо знать величину

начального заряда

Qno,

гранич­

ного заряда Qn гр, соответствующего выходу триода из насыщения, и конечного заряда Qn кон, соответствующего такому состоянию структуры, когда она при подаче пря­ мого напряжения не включается в проводящее состояние без управляющего сигнала. Величина QKOu найдена в ра­ боте [Л. 8-8] из предположения, что минимальный стати­ ческий ток во включенном состоянии равен удерживаю­ щему току /уД . Заряд, соответствующий этому току, ра­ вен:

QnKOH=/y n t2(l — аг) .

(8-57)

Значение Q n r p известно из теории транзистора и для обратного тока, амплитуда которого в период рассасы-

206

вания равна I n , может быть представлено следующим образом:

Qnrp = /B e2 ,

(8-58)

где 62 = до2,/2DP — время пролета неосновных

носителей

заряда через базу р-/г-р-триода.

 

Строгое выражение Qn0

можно получить

на основе

анализа, приведенного в § 7-5 и 7-6. Однако

поскольку

применяемый нами анализ

построем на использовании

П1

р,

Рг

 

W

1

 

 

0-

 

-0

 

-Чи

Чс

 

-->-

 

 

j

г

t

Рис. 8-9. Распределение

токов включенной

р-я-р-я-структуры, представленной в виде супер­ позиции двух триодов, находящихся в режиме насыщения.

метода заряда, т. е. распределение неравновесных носителей в базе считается линейным, можно, исходя из при­ нятого допущения, использовать для определения Qno основные приемы анализа работы триода в режиме на­ сыщения, рассмотренные в § 5-7. Считаем, что условные триоды p-n-p-я-структуры находятся в режиме насыще­ ния, причем любой из переходов триода выполняет одно­ временно функции коллектора (собирает неосновные но­

сители)

и эмиттера

(инжектирует неосновные носители).

В этом

случае токи

через переходы открытой р-п-р-п-

структуры можно представить так, как изображено на

рис. 8-9. Здесь считается,

что коэффициенты

инжекции

крайних переходов

равны

1, а коэффициенты

инжекции

дырок и электронов

центрального

перехода соответствен­

но равны Y2 и у'г, причем

у2+у'г=\.

Выражения для то­

ков через все три перехода структуры запишем следую­ щим образом:

/ » - / «

=

/;]

 

(8-59)

 

^зс = =

1\

 

 

 

 

2И

1

20

1

211

20

207

где / , „ , / 1 С ,

/ з и ,

/ з с — соответственно

инжектируемые

и

собираемые

токи

через переходы / и

3; /й+и, /~ ,

,

/ ~ — электронные и дырочные составляющие инжектируе­ мого и собираемого тока через переход 2.

Учитывая, что

— ^2 И Риг'

^зс = /2 И %г',

2С

1 1ИГ2>

о„

З И П !

-

2С

 

^ 2 И

^ 2 ^ 2 И '

^ 2 И

Y 2^2И>

получаем значения

токов рекомбинации в базах /?2 и р,

в виде

 

 

 

/ Я 1 =

/а, +

 

 

+

 

 

 

7 1 2

1 1

 

1 — < x 2 a 2 i a , — a u

 

 

 

/

(a 2 i a 2

— Тг) (а 1 +

« 2 —

/ Р 1

= / а , + '

^

п

!

-аТг а; 2 < 1— а , а2

и

 

; Ч 1

 

~ "

;(8-60)

'

v

'

О

•(8-61)

Для диффузионных р-гс-р-гс-структур, как правило,

'(Х2 =

а2г;

Y 2 = l ;

7'г = 0;

ан^О .

 

В этом случае

 

 

 

 

 

 

 

/ n 2 ~ / a i ;

 

(8-62)

 

/ p i « / ( l — a i ) .

 

(8-63)

Выражения (8-62)

и

(8-63)

показывают,

что

в р-п-р-д-структуре

с широкой базой

токи рекомбинации

базовых областей определяются усилительными свойст­ вами триода с узкой базой.

Используя

(8-62), получаем выражение для

заряда,

накопленного

в базе п2 при

протекании

прямого тока /:

 

 

 

Qn0 = /T2(Xl.

 

(8-64)

И, наконец,

подставляя

в уравнение

(8-56)

вместо

Qno его

значение

(8-64) и задавая Qn значения,

опреде­

ляемые

по формулам (8-56)

и (8-57), получаем

выраже­

ния для времени

рассасывания и выключения:

 

 

 

 

W = ^ l n T i r !

 

( 8 " 6 5 )

 

 

 

 

' в ° 2

 

 

208

Учитывая,

что

Т2/Эг = 5 2 , где В2— коэффициент уси­

ления по току

в

схеме

с общим

эмиттером условного

p-n-p-триода, приведем

выражение

(8-65) к виду

 

 

f p a c ^ t o ^1 в- -

С 8 ' 6 7 )

Из (8-67) следует, что время рассасывания пропор­ ционально времени жизни неосновных носителей заряда в широкой базе и зависит от соотношения коэффициен­ тов усиления условных триодов. В частном случае, ког­ да / = / в ,

 

 

W

= Т2 In aiB 2 .

 

(8-68)

Интересно

отметить,

что при

a i B 2 = l

^рас = 0.

Это

означает, что

при

выключении током / в = /

р-я-р-триод

не находится в режиме насыщения, если

выполняется

условие щ-бг^Д.

 

 

 

 

 

На практике

при включении

p-tt-p-n-структуры

на

нее подается напряжение, изменение которого во време­ ни происходит приблизительно по линейному закону. Используя основные допущения только что проделанного анализа, рассмотрим процесс выключения р-п-р-п-струк- туры под действием напряжения, изменяющегося по ли­ нейному закону. Будем считать также, что процесс рас­ сасывания накопленного заряда начинается с момента

изменения направления тока через

р-п-р-я-структуру.

Как и в предыдущем случае, задача

сводится к опреде­

лению заряда, накопленного в я-базе к моменту начала процесса рассасывания, а также нахождению закона из­ менения заряда в n-базе при заданном законе изменения обратного напряжения на структуре. Изменение обратно­ го тока с учетам принятых допущений можно предста­

вить следующим образом

(рис. 8-10,а):

Д Л Я О < t < ^ р а с

/ в = Ы\

для

15э tpeiC

 

 

(8-69)

/в

—

ktpgLCe~th',

где k = ImjT; здесь

1т—

амплитуда

прямого тока; Т —

время, в течение которого ток изменяется от I m до нуля. Определим заряд, накопленный в n-базе структуры, к моменту изменения направления тока. Уравнение для

заряда базы триода

р\-п2-р2

имеет

следующий

вид:

^ + ^ -

« . '

- ( '

- 4 - >

(8-70)

14—44

209
Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности