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

ставлено распределение токов

в трехслойной структуре

с разомкнутой коллекторной

цепью. При приложении

переходом j$ и правой

частью коллекторного

пе­

рехода /2 , аналогичное

взаимодействию

эмиттер­

ных переходов в

р-п-р-п-

структуре.

Структуру

на

рис.

9-6

можно

предста­

вить в виде р-я-р-я-струк­

туры, если удалить уча--

сток

монокристалла, огра­

ниченный штриховыми ли­

Рис. 9-6. Распределение

токов

ниями.

При

этом

левая

в я-р-п-структуре

при разомкну­

часть

аЪ

коллекторного

той цепи

коллектора.

перехода

триодной

струк­

туры

выполняет

роль

коллектора а

правая

часть

эмит-

тер а

Я1-рг Я2,-р2-структуры.

структурах области pi

и рг

В

реальных

триодных

электрически

связаны

и ток

/ у ь протекающий от pi к рг,

ток "переводит

последнюю в состояние с высокой проводи­

мостью. Ток

/ У 2 , ответвляющийся

в область

Яг, можно

определить из

выражения для тока ЯгргЯгРг - е т р у к т у р ы :

/ у 2 =

/у2(Хр + / у а п +

/ко.

(9-8)

Здесь

<хп и ар — соответственно

коэффициенты пере­

дачи по

току

в схеме с общей базой условных

триодов

Р2-Я2-Р1 и Я г р 1 - я 2 ; / к о

—

обратный

ток части ab

коллек­

торного перехода /2 .

Из (9-8) получим:

•^У2 —

(9-9)

Учитывая,

что

в реальных структурах аР- >0 и, как

правило, /к о<С/у,

получаем:

/у2 ~ / у О п ,

(9-10)

т. е. для

ап—>-1

величина тока / У 2 — > - / у .

нению

с сопротивлениями

растекания

базовых

слоев

можно пренебречь и распределение токов

/ у ]

и / у 2

будет

обратно

пропорционально

сопротивлениям

растекания

+-9

соответственно

базовых

слоев

я2 и

pi.

Явление

ответвления

входного

тока

в

область

коллектора

триодной

гт*т

Т777777777Я

структуры

можно

исполь­

Pi

зовать

в некоторых

полу­

проводниковых

приборах

Ikoz

для управления ими через

слой полупроводника. Так,

(i^-gii-a.)

f 1

например,

в тех

случаях,

(I*I„

*!,!«•

когда

трудно

присоеди­

нить - омический

контакт

14

к базовой

области

трех­

-ВТК

слойной

структуры, на

участке эмиттерной

обла­

Рис. 9-7. р-я-/?-структура с управ

сти создается

четвертый

лением через

эмиттериый слой.

слой,

к которому

присо­

единяется

управляющий

электрод

УЭ

(рис.

9-7).

электроны

в область

pi.

Часть

электронов — ток

/у (1—ао)

рекомбинирует

в

базе pi,

другая часть — ток

частью

перехода

ji в область

п2. Часть

дырок — ток

(Лг+/у—/р) (1—а)

рекомбинирует в области я2 с элек­

тронами,

другая

часть — ток

(1К + 1у—/р)а

переносится

/у(1

= • р.

(/к + / у - / р ) ( 1 -

а) - /к + 0 2 = а 0 / у + Г02 '

где

ао,

а — соответственно

коэффициенты

передачи

по

току

в

схеме с общей

базой

триодов

tii-pi-nz

и pi-Пг-рг,

1Р — дырочный ток рекомбинации в базовой

области

pi.

Решая полученную

систему уравнений относительно

/ к , получаем выражение для

коллекторного

тока

р-я-р-

структуры в виде

Г

^ И 0 2 +

а 0 а ' У

ИЛИ

(9-11)

где

Роэ — коэффициент

усиления р-я-р-стру,ктуры в

схеме

с общим эм'иттером при непосредственном

присоедине­

нии управляющего электрода к базовой области;

/к оэ —•

ток

в цепи коллектора

р-я-р-структуры

в схеме с

общим

эмиттером при разомкнутой цепи управления.

Как

видно из рис.

9-7,

управление

током, текущим

ющимся в

базу

структуры через

эмиттерный слой. По­

этому в дальнейшем указан­

ный

способ управления

бу­

дем

называть

«управлением

через

слой»,

а

рассмотрен­

ную структуру р-я-р-струк-

турой

с «управлением через

слой».

Семейство

коллекторных

характеристик р-я-р-струк-

туры

при

полярности

на

электродах,

показанной

на

Рис.

9-8. Вольт-амперные ха­

рис.

9-7, для

различных

то­

ков

управления

приведено

рактеристики р-га-р-структуры

с

управлением

через

эмиттер­

на рис. 9-8.

влияние то­

ный

слой.

Рассмотрим

ка управления

на

обратную

вольт-амперную

характеристику

р-я-р-я-структуры с точ­

ки зрения

механизма управления

через

слой.

Схема

ход

ji смещен

в

запорном

направлении напряжением,

приложенным

к электродам А

и К.

При замыкании

цепи

управления

участок

р-я-перехода /ь расположен­

ный

возле управляющего

электрода,

смещается в пря­

мом

направлении

и инжектирует

электроны в область р ь

ции для областей

р4 и я2 , за исключением

обозначений,

не отличаются от

аналогичных уравнений,

написанных

коз

Р2

Выражение

(9-12)

не отличается

от

выражения

(9-11), так же

как

и

вольт-амперные

характеристики

тиристора, снятые

при

рассматриваемом

включении,

рез

слой, протекает через управляющий электрод,

т. е.

внешнее

сопротивление

цепи этого

тока равно

Rn+Ry,

где

R u

— сопротивление

нагрузки

основной

цепи.

Рассмотренный способ управления током

базы

р-п-р-

монтируется

катодом

(эмиттером

n-типа), в то время

как обычные

тиристоры,

изготовленные на исходном

кремнии

я-типа, имеют

на основании

корпуса

анод

УЗ

"о

1

г.

fit

4 Уз

\

1

1

IГк t

i

P2

Рис.

9-10. Обращенная р-я-р-я-структура

с инжектирующим

управляющим электродом.

(эмиттер

/?-типа). В

дальнейшем

для

краткости

такие

сительно эмиттерной

области р% Это приводит к допол­

нительной инжекции

дырок переходом / 2 в область п%

:5—44

225

Часть дырок — т о к

(12 + 1у2

—

/ Р ) (1—ad)

рекомбинирует

в области пг с электронами,

другая

часть — ток

(72 +

+ /у2—7р)а<г переносится электрическим

тюлем

перехода

/з в область р2 и повышает

потенциал

области

р2

по

отношению к области п3 , способствуя

тем самым инжек­

ции электронов из последней. Таким образом,

возника­

ют

условия для переключения /?1-п2 -р2 -п3 -структуры в про­

водящее состояние.

Уравнения токов

рекомбинации

для

базовых

обла­

стей pi и п2 имеют следующий

вид:

/уг(1— сю) = / Р ;

(/2 + / У 2 - / Р ) ( 1 - ad ) - / + ы

- / у 2 а0 + / 2 а с - 1~а

,

где

ао, ас , ad—

соответственно

коэффициенты

передачи

УСЛОВНЫХ ТрИОДОВ Пй-pi-tlz, п3-р2-пг,

pi-n2-p2.

Решая эти уравнения относительно h, получаем вы­

ражение для тока через структуру в виде

у

I KCd +

/ у 2 а о а Л

(9-13

2

1 — «с — «d

Анализируя это выражение,

можно

отметить,

что

оно, если не учитывать коэффициента

ао, не

отличается

от выражения для p-n-p-n-структуры,

управляющий

электрод в которой

присоединен

к

базовой

области

п-типа. Наличие

коэффициента ао отражает

присутствие

в

цепи

управления

этой

структуры

триода,

вклю­

ченного по схеме с общей

базой.

Как уже

было

отмече­

но,

описанный

способ

управления

можно

рас­

сматривать

как

управле­

ние через базу

п2,

которая

в реальных

приборах

вы­

полняется

достаточно

ши­

рокой. Этот

факт и то, что

в

область п2 ответвляется

SOO MOOS только

часть тока управ­

Рис.

9-11. Прямые вольт-ампер­

ления,

приводит

к

боль­

ные

характеристики

обращенной

шим

токам

управления,

р-п-р-п-структуры с инжектирую­

чем

при

управлении

от

щим

управляющим

электродом

тонкой

базовой

области,

при

различных токах управления.

тив

тока

управления

/ у з,

и,

следовательно,

способствует

смещению p-n-перехода

ji

в прямом

направлении. Когда

/ ш по величине превзойдет ток / у 3 ,

переход/i

смещается

в

прямом направлении

и начинает инжектировать

электро­

ны в область

С этого момента начинается второй этап—

включение основной

части

прибора.

Инжектированные

электроны частично рекомбинируют в области

p i c дыр­

ками,

частично попадают

в область

Яг,

понижают

ее

потенциал относительно

области

р 2 и тем самым

вызы­

вают инжекцию дырок

из слоя р% в п2.

Таким

образом,

особенностью работы прибора является то, что при ука­

занной полярности

вначале переключается

левая

часть,

т. е. я4 -р1 -я2 -р2-структура,

через

которую протекает

ток

/оеОдна составляющая этого тока 1'ое проходит

через

цепь

управления,

другая

/ ш

ответвляется

в

базу

я1 -р1-я2 -р2 -структуры. Для

базы р4 из условия

равенства

дырочных

и электронных

токов

рекомбинации

можно

написать следующее

выражение:

/ 0

А

-

Лп +

/ у , +

Кое

=

С

» +

/

' . « )

( ! -

« . )

- 'Го*

> О - 1 4 )

г д е

^ког»

^кое ~~ соответственно

электронная

и

дырочная

составляющие

обратного

тока

центрального

перехода

Я4-р1-Я2-рг-структуры; ао,

ае — соответственно

коэффи­

циенты передачи триодов

я4 -р1-я2 , Prn%-pi

(левая

часть

структуры).

Вводя

обозначения

Ь0 —

;

<*оЛ>

• ; / к „ е = / к + 0 е + / ; 0 е

0-15)

и подставляя

их в

(9-14),

получаем:

т

,

/кое ~f~

/ у з а о

_ .

/ п

1

р\

( 1 + 6 0 ) ( 1 - а о э - а е ) '

1 У " 1 0 '

т

/цое ~т" / у з а о

/Q

17\

Выражение для тока 10е

аналогично

выражению

для

тока через р-я-р-я-структуру

(6-14).

Выражение (9-16) представляет собой произведение

двух

сомножителей:

один — выражение

(9-17),

другой

1

Для

включения

л1 -р1 -«2 -рг структуры

в

проводя­

щее

состояние

ток

/ ш

должен

превышать

величину

1у3-\-1ауЬ,

где / у ' ; — дырочный ток

базы

р,,

требуемый

для

переключения

этой

структуры

в проводящее состоя­

ние.

По

величине

/ у 3

+ / у & ,

как правило,

превышает наи­

большее из значений

тока

переключения

при

различных

/ у 3

П4 - р1 - Я2 - р2 -структуры. Таким

образом,

переключение

основной структуры происходит тогда, когда

« 4 - p i - » 2 - p 2 -

структура находится ъ

состоянии

с высокой

проводимо­

ем по сравнению с сопротивлением растекания Rr,

базо­

вого слоя p i и внешним сопротивлением R y цепи

управ­

ления.

Тогда

!

/ j — Z H . — А -

1i

,

(9-18}

и °

/ ш

Я , '

1 + Ь0

Ry+Rs

к

'

При определении

тока

« г р ^ Я г - р г - с т р у к т у р ы

следует

учитывать, что часть

тока

/ ш расходуется

на то,

чтобы

скомпенсировать

действие

тока / у 3 ,

препятствующего

включению П1-р1-П2-/, 2-структуры. Ток управления

этой

структуры равен:

/ у

= /ш—/уз.

(9-19)

Принимая во

внимание,

что ток

/ 0 е

является

частью

тока нагрузки, а его

составляющая

/ ш — /

у з является то­

щее выражение для тока

нагрузки:

j :

/ у з й о ~Г" Л

|

*

узй о ~г 'кое

1

-

/ у з а о

Л~ ^кое

(1 + *>,)(!

- а . . - а . )

/

» ] '

" + / " '

(9-20)

+ ааэ — аЬ

1

где аа э —коэффициент передачи триода

пгр1-п2

с зашун-

тированным эмиттерным

переходом;

аь-—коэффициент

передачи триода

p 2 - « 2 - p i

(правая

часть

структуры).

Из выражения (9-19)

видно, что с ростом

тока / у 3

первое слагаемое

увеличивается;

/и-р^Яг-рг-структура

16—44

.

229