Добавил:

ivanov666 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:

Добавлен:

24.10.2023

Размер:

9.71 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2324 / 2924 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

начинает переходить в .проводящее состояние. Во вто ром слагаемом на первом этапе включения

/ У 3 а 0	~Ь / к о е	/ у з < 0 .
(1 +&<,)(! — «03 —«е)		/ у з < 0 .
(1 +&<,)(! — «03 —«е)
что соответствует	отрицательному		базовому току
П1-р1-л2 -Р2-структуры,	препятствующему		ее отпиранию.

М-%3

гt

ое I .

Рис. 9-12. р-ге-р-«-структура с инжектирую щим управляющим электродом.

Так как Птр^-Пг-рг и /г4 -р1-/г2 -р2-структуры в приборе включены параллельно через сопротивление Ry, вольтамперная характеристика на первом этапе включения определяется характеристикой Л4-р1-п2 -р2 -етруктуры. По мере роста тока через вспомогательную структуру нера венство меняет знак, базовый ток становится положи тельным и способствует отпиранию основной Птр\-п2-рг- структуры. Следует отметить, что второе слагаемое вы

ражения (9-19), если		не учитывать	тока	/ у 3	и коэффици
ента 1/(1 +Ь0),	не	отличается	от	выражения		для
р-л-р-л-структуры,	в	базовой цепи	которой		имеется	до

полнительная р-л-р-/г-структура.

Таким образом, особенностью работы структуры яв ляется двухступенчатый механизм включения. Соответ

ственно прямая вольт-амперная	характеристика	имеет
два участка дифференциального	отрицательного	сопро-

230

тивления. Начальный

участок характеристики

структу

ры,

изображенной

на

рис. 9-12,

при

различных

токах

управления

показан на рис.

9-13.

Для

/ у =

— 20

ма на

характеристике

возника

ха

ют

два

участка

отрица

=ti00M

тельного

сопротивления.

Первый

напряжением

1^-22 xa

включения

7,7 в

соответ

ствует

переключению

вспомогательной

р-п-р-п-

структуры

проводящее

состояние,

второй

на

пряжением

включения

Рис. 9-13. Начальный участок ха

3 в — отпиранию основной

p-n-p-n-структуры.

Для

рактеристики

р-я-р-я-структуры

с инжектирующим

управляющим

/ у = — 2 2

ма

на

характе

электродом при различных

токах

ристике

имеется

лишь

управления.

один

участок

отрицатель

ного сопротивления, ответственной за появление которого является основная p-n-p-n-структура. Этот участок обна руживается при любых токах управления.

Рис. 9-14. Обращенная p-n-p-я-структура с инжек тирующим управляющим электродом.

Для полноты изложения остановимся еще на одном варианте структуры с инжектирующим управляющим электродом, которая имеет дополнительный пятый слой

(рис. 9-14). Наличие этого слоя	приводит к тому, что
16*	231

при переключении многослойной структуры под управ ляющим электродом дырки инжектирует значительная часть площадки перехода /3 . В [Л. 9-2] рассмотрен про цесс инжекции дырок р-п-переходом / 3 и получено выра жение, связывающее плотность дырочного тока с рас стоянием в поперечном направлении х на начальной стадии процесса включения, из которого следует, что инжекция дырок практически происходит в двух местах,

•которые

можно характеризовать

координатами

х = 0

х—1.

Тогда ток he в слое р2

делится

на две части h

и / е .

Для

базовой области

из условия

равенства

дыроч

ных

и электронных

токов

рекомбинации

можно

на

писать следующее выражение:

1е*е + 10Ч -

/ ш + 7Уз +

Кое = ([УЗ +

7 'ое)(1 -

<*„) -

/ ' к „ е .

(9-21)

Так

как

сопротивление

растекания

базового

слоя

в сумме

с сопротивлением R y намного

больше этого слоя

направлении, перпендикулярном

плоскости

р-я-пере-

ходов, то частью дырочного тока, которая

протекает

по

слою

справа налево

к p-n-переходу

/ i , по

сравнению

с частью тока, которая ответвляется

электроду

К,

можно пренебречь. Если учесть, что

аь =

ае

h+h—he,

то выражение (9-21) преобразуется к

виду

(9-14). В от

личие от структуры, изображенной на рис.

9-12, ток уп

равления рассматриваемой

структуры

/ у 3

не препятству

ет

инжекции

носителей переходом

/ i , т. е. ток

/ ш

являет

ся током управления п^рг/гг-рг-структуры.

Наибольший

интерес

представляет

распределение

тока

моменту

включения основной

части

'прибора.

это

время

вспо

могательная структура находится во включенном состо янии, т. е. условные триоды структуры находятся в ре жиме насыщения и их сопротивление мало по сравнению

с R j и	сопротивлениями				растекания		базовых			слоев.
Поэтому при оценке распределения тока								he	для	упро
щения расчетов будем учитывать только								последние			со
противления. Рассматриваемую структуру								можно		пред
ставить	так, как показано				на рис. 9-15. Здесь приняты
следующие обозначения: RVi=rpiL;						Rnz	— rntL;		R	^ — r ^ L .
Распределение 10е		на	составляющие			/'ое		и	/ ш	можно
представить в следующем				виде:
	h				^Sl						(Q-22)
	0 —	/„ —	Ry	+	tfn2tfp2/(tf„2	+	Rpi)	'		^	;

232

Принятые упрощения позволяют 'привести выраже ние (9-21) « виду (9-16) и (9-17). Ток / ш является током управления ЯгРгЯг-рг-структуры. Поэтому выражение для тока нагрузки имеет следующий вид:

Iузао ~\~ 7ко

з1 _ „ . . _ (

	(1 + & „ ) ( ! _ а0 •ае)					(9-23)
	1 — <*аэ	<*Ь

Первое	слагаемое выражения		(9-23)	не	отличается
от аналогичного члена выражения			(9-19)	и	характери
зует изменение тока через я^р^Яг-рг-структуру.						Второе
слагаемое	представляет собой	выражение			тока	через

Рис. 9-15. Эквивалентная схема обращенной р-/г-/?-п-структуры с ин жектирующим управляющим элек тродом.

Р2-«2-у01-яГструктуру, у которой в цепи базы я-типа про текает часть тока дополнительной р-я-р-я-структуры. Выражение (9-23) принципиально не отличается от вы ражения (9-19), соответственно прямая вольт-амперная характеристика структуры, изображенной на рис. 9-14, аналогична вольт-амперной характеристике, представ ленной на рис. 9-13.

233

9-5. ОБРАЩЕННАЯ p-n-p-n-СТРУКТУРА С ОМИЧЕСКИМ

УПРАВЛЯЮЩИМ ЭЛЕКТРОДОМ

Рассматриваемая структура приведена на рис. 9-16.


Когда при разомкнутой цепи управления на				электроды
А я К подается напряжение указанной			на рисунке по
лярности,	переходы / 2	и / 4 смещены в прямом,		а перехо
ды ji и /з	в обратном	направлениях.	Вольт-амперная
характеристика структуры определяется			р г Я г - р г - П з - с т р у к -

¥£3

''UIS 1

ТТЛ l9h

Рис. 9-16. Обращенная р-п-р-п-структура с омическим управляющим электродом.

турой, которая включена в прямом направлении. При подаче на управляющий электрод напряжения положи


тельной	относительно		электрода		А	.полярности				вдоль
слоя pi	протекает	ток	/ с , который			способствует				смеще
нию в прямом направлении				перехода			ji	и	приводит
к тому, что участок этого перехода, расположенный											воз
ле управляющего		электрода,			инжектирует				электроны
в область р\. Часть электронов					реком'бинирует					в	этом
слое с дырками, другая часть				попадает			в	область			tii,
понижает ее потенциал относительно области									pi	и	тем
самым	способствует инжекции			дырок из			слоя		pi	в	слой

«2- Так как область инжекции расположена возле управ ляющего электрода, а область р-типа под управляющим электродом за счет источника £ у 4 смещается в прямом направлении сильней остальной части слоя pi, инжекция

234

дырок происходит под управляющим электродом. Сле дует указать на то, что электронный ток /'уа/, протека ющий по базовой области п2, для правой части прибора, расположенной под управляющим электродом, втекает в базовую область структуры и способствует ее отпира нию, а для левой основной части вытекает из базовой области, запирая ее. Дырки, инжектированные из-под управляющего электрода, частично рекомбинируют с электронами в слое п2, частично перебрасываются по

лем перехода	/ 3 в слой р2, повышают его потенциал от
носительно слоя п3 и		вызывают инжекцию	электронов
из слоя Пз в	слой р2.	Область переключения	находится

под управляющим электродом, так как распространение

дырочного тока влево по слою р2	ограничивает	сопро
тивление растекания этого слоя, а для левой части		струк
туры электронный ток управления	базы п2, как уже

отмечалось, является запирающим. Электроны, инжекти

рованные из слоя	« з , частично переносятся полем			пере
хода /з в область	п2, понижая ее	потенциал	относитель
но слоя р, и вызывая инжекцию		дырок как	из	левой,
так и из правой частей перехода		] 2 . Распределение элек

тронного тока в первом приближении будет определять ся отношением сопротивления участка слоя п2, располо женного под слоем пъ, к сопротивлению цепи управления


Ry.	Таким образом, электроны,		попавшие	в область л2 ,
вызывают инжекцию дырок левой части перехода j 2							. Эти
дырки частично рекомбинируют			с электронами		в		слое
« 2 ,	частично	перебрасываются полем перехода			/ з	в	слой
р2,	повышают	его потенциал относительно		слоя	я3	и тем

самым вызывают инжекцию электронов из левой части слоя П з в слой р2. Из вышеизложенного следует, что особенностью работы прибора является то, что при ука


занной	полярности напряжения переключается						правая
часть,	расположенная		под	управляющим		электродом
(ток Igh	от 'нижнего	эмиттерного			p-n-перехода)		[Л. 9-5,
9-6]. Доля этого тока		/ Ш	1 + / Ш 2 + Анз проходит			от	верхнего
эмиттерного контакта. Часть				тока	включенной		правой
части структуры, равная			току	/ Ш 1 , является током			управ

ления в базе п2 левой р^Пг-рг-Яз-структуры. При разомк нутой анодной цепи через базовую область р 4 протекает ток

/ у 4 = / ' у + J С,

где / У — ток через переход Д.

235

Для базовых областей р4 и п2 из условия равенства электронных и дырочных токов рекомбинации имеют место следующие соотношения:

( / у 4

—

/ с ) а / +

^ л а

л — Л ш +

Л * л =

(9-24)

C ' f i f t +

' у * -

/ с -

/ р +

« « ) -

KSh-

Вводя

обозначения

b^I'gJI^

RnJRy\

b i =

= Ijjii!^mi

Rm!Rpi\

= =

^ins/Alii= =

= Я»,/***; а вэ = (й, +

62 +

6s )/(l +

6. +

К + 6,) * g ;

# n S = » W ;

Rp2=rp2l;

= atiy!IY*'

Rpi

= rvi1'

( 9 - 2 5 )

где

лр 1 , r P 2 , гП 2'—соответственно сопротивления

растека

ния базовых слоев ри

р2,

п2 на единицу длины, подстав

ляя

их в

(9-24)

и решая

систему уравнений (9-24) отно

сительно / ш

и Igh, получаем:

/y 4 a/ 3 a g 4- Ivgh

nr\

ш . — ( i +

& l

& 2 +

6 з ) ( i _ a g 3

_ a , ) '

/ у 4 а f s a g

4- ^ng''

(9-27)

Отметим что значения & ь 62 , &з выражены через со противления растекания слоев и RY, что справедливо тогда, когда вспомогательная структура под управляю щим электродом находится в открытом состоянии. И, наконец, выражение для тока нагрузки имеет следу ющий вид:

/ __ I У*а1»аш + I Kg Л I

с	+ &, + б 2 +fc,)(i - « g 3 -	«f c ) j	a	d	+ /	k c	j	( 9 2
	1 — «c —a<i
Здесь коэффициенты « c и ал относятся					к	условным
триодам левой части структуры. По величине они равны
коэффициентам ag и ah, а именно		ag=Ud		и	a/ l =a c -
Анализируя выражение (9-28),		можно			отметить,			что
первый член его (ток через вспомогательную						структуру)
представляет	собой выражение для		тока		обращенной
р-я-р-я-структуры с инжектирующим					управляющим
электродом	(р-я-р-я-структуры, у	которой			в	цепи	базы

236

я-типа имеется триод, включенный по схеме с общей базой), второй член (ток основной структуры) представ ляет собой выражение для р-я-р-я-структуры, у которой в цепь базы я-ти.па включена обращенная р-я-р-я-струк- тура с инжектирующим управляющим электродом. Коэф фициент 1 / ( 1 + & 1 + Й2 + Й3) показывает, какая часть тока вспомогательной структуры участвует в управлении пере ключением основной струк туры.

Особенностью						работы		о~1у = 7</ма
структуры является						двухсту
пенчатый		характер				включе
ния. Вследствие этого вольт-
амперная			характеристика
имеет	на	прямой			ветви		два
участка отрицательного диф
ференциального				сопротивле
ния.
Начальный				участок			ха	Рис. 9-17. Начальный участок
рактеристики					структуры
			при					характеристики	обращенной
(рис.	9-16)				различных			р-я-р-я-структуры с омическим
токах	управления					показан		управляющим	электродом.
на рис. 9-17.			Для		/ у = 7 4		ма

на характеристике обнаруживаются два участка отрица


тельного сопротивления. Первый с напряжением						включе
ния 10 в соответствует				переключению	вспомогательной
р-я-р-я-структуры			в проводящее состояние, второй с на
пряжением		включения		1,8 в — отпиранию		основной
р-я-р-я-структуры.
Для	/ у = 78 ма		на	характеристике	обнаруживается
только	один	участок		отрицательного	сопротивления,

обусловленный включением основной структуры. Этот участок имеет место при любых токах управления.

9-6. ВАРИАНТЫ СТРУКТУР СИММЕТРИЧНЫХ ТИРИСТОРОВ

Выше были рассмотрены трехэлектродные структу ры, имеющие на одной плоскости с управляющим элек тродом или анодный или катодный электрод и проводя щие основной ток 'в направлении, перпендикулярном плоскости прибора. Если считать прямым такое направ ление, когда ток идет к плоскости с управляющим электродом (на приводимых рисунках снизу вверх),

237

а положительным током управления считать ток, вте кающий в управляющий электрод, то

структура / — р-л-р-п-структура с омическим управ ляющим электродом — проводит ток в прямом направ лении при положительном токе управления;

структура 2 — обращенная /?-п-р-/г-структура с ин жектирующим управляющим электродом (рис. 9-10) — проводит ток в обратном направлении при отрицатель

ном токе управления;
структура 3—р-л-р-я-структура	с инжектирующим
управляющим электродом (рис. 9-12	и 9-14) —проводит

ток в прямом направлении при отрицательном токе уп равления;

структура 4 — обращенная р-я-р-л-структу.ра					с оми
ческим		управляющим	электродом	(рис. 9 - 16)	— прово
дит	ток	в обратном	направлении	при положительном
токе	управления.

Особенностью рассмотренных структур является то, что они могут быть получены на основе исходного крем ния одного типа проводимости. При этом р-я-переходы, образованные слоем, сохраняющим концентрацию исход ной примеси, ни в одной структуре не шунтируются. Это позволяет, не нарушая высоковольтности структур, объ единять рассмотренные элементы для того, чтобы синте

зировать	нужные	свойства в монокристаллической струк
туре. Так, например, объединяя в одном				монокристалле
структуры / и 3,		получим	р-я-р-я-структуру, управление
которой	осуществляется		током любого	направления.
При объединении		в одном	монокристалле	структур 2 и

4 получается обращенная структура с током управления любой полярности. Наибольший интерес представляют комбинации структур, которые позволяют реализовать принципиально новые приборы, симметричные управля емые переключатели.

Структура симметричного тиристора, управляемого током любого направления

Этот прибор получен совмещением в одном монокри сталле всех четырех элементов [Л. 9-7—9-9]. Конструк ция прибора, разделенная на составные элементы, изо бражена на рис. 9-18. При совмещении их в монокри сталле заштрихованные участки меньшей площади — металлические контакты управляющих электродов — 238

образуют общий контакт, к которому присоединен уп равляющий электрод (9-19). Заштрихованные участки большой площади электрически соединены, и к ним

Рис. 9-18. Основные элементы структуры симметричного тири стора, управляемого током любого направления.

присоединяется		верхний	электрод.	Электрический	кон
такт	к нижней	плоскости	прибора	осуществляется	за
счет	монтажа этих структур на общее основание.				На

рис.	9-19 приняты	следую		СЭУ
щие обозначения: УЭ— уп				СЭУ
щие обозначения: УЭ— уп
равляющий электрод;			СЭУ—
силовой или основной			элек
трод, расположенный со сто
роны	управляющего		элек
трода; СЭ — второй		силовой
(основной) электрод.

При разомкнутой цепи управления области, распо ложенные под управляющим контактом, не участвует в ра боте прибора и его можно рассматривать как симме тричный переключатель на основе n-p-tt-p-n-структуры с

Рис. 9-19. Структура симмет ричного тиристора, управляе мого током любого направле ния.

зашунтированными крайними переходами	(§	9-2).
Если к СЭ и УЭ приложены положительные	относитель
но СЭУ напряжения, работу прибора определяет		струк
тура /.

239

<<< < Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 2324 / 2924 25 26 27 28 29 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ