Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

Рассмотримтеперьпроцесс выключениятиристора, находя-1

щегося в проводящем состоянии. Выключение тиристора можно

осуществить путем подачи запирающего импульса напряжения

Илк на анод (см. рис. 5.4, б), разрывом цепи управляющего

электрода или же подачей на него обратного смещения. Наиболее быстрое выключение достигается при одновременном изменении направления анодного и базового токов. Рассмотрим случай, ког­

да меняется направление только анодного тока. Выключение ти­

ристора осуществляется путем изменения полярности анодного

напряжения. Переходы П1 и П3 из прямосмещенных при переме­ не полярности анодного напряжения становятся обратносмещен­ ными. После изменения полярности анодного напряжения значе­ ние тока J 06P в течение времени t 0 - t1 (см. рис. 5.4, б), пренебре­

гая падением напряжения на включенном тиристоре, можно

выразить следующим образом: I обр = ИА обр/R (ИА обр - амплиту­

да импульса обратного анодного напряжения; R - сопротивле­ ние цепи при омической нагрузке).

В течение некоторого времени, называемого временем задерж­ ки tзд1' обратный ток J06P не изменяется. Это обусловлено тем, что в р2-базе во время пребывания тиристора во включенном со­

стоянии накоплен большой заряд избыточных носителей, кото­ рый и определяет ток, текущий через прибор. 3а время tздl про­

исходит рассасывание накопленного заряда, величина которого

пропорциональна прямому току, причем градиент неравновес­

ных носителей у переходов П1 и П3 все это время не меняется,

хотя число избыточных носителей в р2- и п1-базах уменьшается под воздействием положительного потенциала, приложенного к катоду (явления аналогичны процессам в транзисторном клю­ че, см. п. 4. 7). В конце интервала tздl избыточные (неравновес­ ные) электроны в основном выведены из р2-базы. У перехода П3 в течение времени t 2 - t 1 = tcпl формируется область объемного

заряда, расширяющаяся под действием обратного смещения,

что вызывает увеличение сопротивления перехода П3 и умень­

шение тока I обр· В п1-базе, по мере того как отрицательный анод

захватывает дырки, их количество пополняется за счет инжек­

ции через переход П2 и р2-базу. Эти процессы происходят в ин-

тервале t3д2• В соответствии с распределением примеси, приве­ денным на рис. 5.1, б, инжекция дырок из р2-базы преобладает

над инжекцией электронов из п1-базы. Задержка t3д2 определя­

ется временем жизни неосновных носителей ('tp) и временем их

рассасывания в п1-базе. При этом градиент концентрации неос­ новных носителей в интервале t 2 - t 3 остается постоянным и ток !06Р2 не изменяется. В течение фазы tсп2 удаляются оставшиеся неосновные носители в основном из широкой п1-области и про­ исходит восстановление закрытого состояния тиристора (П1 и П3 смещены в обратном направлении).

Следовательно, на основании сказанного можно заключить,

что процесс выключения начинается с восстановления запираю­

щих свойств перехода П3• Полное время задержки (tздl + t3д2) за­

висит от эффективн9го времени жизни неравновесных носите­

лей в р2- и п1-базах, от значений прямого и обратного токов,

протекающих через тиристор перед моментом подачи запираю­

щего импульса и сразу после подачи ИАобр· При t;::;;, t 4 ток через тиристор (I06P3 ) меньше тока удержания /Уд (см. рис. 5.1, в) и ти­

ристор закрыт. Время выключения представляется суммой

tвыкл = tздl + tзд2 + tcпl + tсп2•

5.4. Разновидности тиристоров. Параметры и модели тиристоров

Имеется много разновидностей тиристоров. Коротко рассмот­

рим наиболее распространенные из них.

Симисторы - это переключающие приборы, которые могут

работать как при положительном, так и при отрицательном на­ пряжении, т. е. при работе в цепях

переменного тока они включаются в

положительные и отрицательные по­

лупериоды. На рис. 5.6 изображена ти­

-и

+И

-I

Рис. 5.7

ют ее потенциал, тем самым вызывая инжекцию дырок из р1 в

п2, которые за счет диффузии перемещаются к переходу П3 и об­

ласти р2• В результате этого процесса возникает боковое напря­

жение смещения в перекрытой области (ПО) - части вспомога­

тельной области п3, перекрываемой основной областью п1 (см.

рис. 5.6). В результате бокового поля, вызванного дырками, на­

чинается дополнительная инжекция электронов из перекрытой

части области п3. Этот процесс развивается таким образом, что

проводящая область (включенная область) распространяется впра­

во, вызывая инжекцию электронов из перекрытой части ПО об­

ласти п3• Таким образом, эквивалентный тиристор, образован­ ный стру:ктуройр1-п2-р2-п3 с переходами П1, П2 и П3, вклю­

чается и то:к через прибор протекает в направлении от Т1 к Т2•

В другую половину периода переменного тока :контакт Т2 по­ ложителен по отношению к Т1• Подача положительного импуль­

са на управляющий электрод позволяет включить эквивалент­

ный тиристорp 2- n2-p1- n1 • В этом случае то:к течет в направле­

нии от Т2 :к Т1 • Вольт-амперная характеристика симистора

представлена на рис. 5. 7.

Имеется достаточно большое количество структурных моди­

фикаций симисторов. На рис. 5.8 представлена одна из них - семислойная структура с центральным расположением элект­ родов, обладающая хорошими номинальными характеристи­

ками.

В мощной технике широко распространены тиристоры с обрат­

ной проводимостью, которые представляют собой многослойные

УЭ

кольцевой

приборы с тремя выводами. Тиристоры с обратной проводимо­

стью отличаются от обычных приборов тем, что они имеют зако­ роченные катод (см. п. 5.2, рис. 5.3, в) и анод, т. е. в них шунти­

рованные участки находятся не только на катоде, но и на аноде

(рис. 5.9). Поэтому через эти приборыпри обратном смещении протекают большие обратные токи даже при малых напряже­ ниях. При прямом смещении ВАХ имеет тот же вид, что и для

обычных тиристоров. Мощные кремниевые тиристоры с обрат­ ной проводимостью могут работать при температурах переходов

150... 200 °С, в отличие от обычных тиристоров, работающих до

125 °С. Больший температурный диапазон в тиристорах с обрат­

ной проводимостью позволяет пропускать через них большие

токи в открытом состоянии. Этот тип приборов обладает малым

временем восстановления, так как они по сравнению с обычны­

ми тиристорами допускают более высокий уровень легирования

золотом или платиной.

Двухоперационный (выключаемый) тиристор представляет собой

четырехслойную структуру, которая включается подачей поло­

жительного напряжения на управляющий электрод, а ~ыклю­ чается подачей на этот электрод отрицательного импульса. (Обычный тиристор, как правило, выключается снижением

анодного тока ниже тока удержания или за счет включения

анодного тока противоположного направления.) Эти тиристоры

широко применяются в импульсных генераторах и высокоско­

ростных мощных устройствах, так как выдерживают большие

напряжения в закрытом состоянии. :Конструкция их подобна конструкции обычных тиристоров.

Полевые тиристоры. Устройство прибора этого типа представ­ лено на рис. 5.10. Полевые тиристоры состоят из р+-v-п+-ди-

178 Раздел 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

____;,____ ___,, Глава 6 IJ--..--;------

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

6.1. Общие сведения

Полевой транзистор (ПТ) - это трехэлектродный твердотель­ ный прибор, в котором процессы преобразования сигналов осу­ ществляются за счет переноса носителей одного типа (или элект­ ронов, или дырок).

Основные электроды полевого транзистора называются исток (И), затвор (3), сток (С). Движение носителей происходит от исто­

ка к стоку через канал, расположенный под затвором. Исток, сток и канал - .это полупроводниковые области одного и того же типа проводимости. Помимо этих областей, в большинстве поле­ вых транзисторов имеется подложка (П), на которой формируют­

ся указанные области. Изменение проводимости канала, а часто

и само формирование канала, происходит за счет подачи и изме­

нения потенциала на затворе. Затвор является управляющим электродом. Создаваемое им поле направлено перпендикулярно перемещению носителей в канале, движущихся от истока к сто­ ку под действием продольного поля, формируемого между исто­

ком и стоком. В большинстве случаев канал выполнен в виде слаболегированного тонкого полупроводникового слоя, с п- или

р-типом проводимости, который располагается либо у самой по­ верхности полупроводника, либо внутри кристалла на некото­

ром расстоянии от его поверхности. В противоположность кана­

лу исток и сток являются сильнолегированными областями. Существует три типа полевых транзисторов: полевые транзис­

торы (ПТ) с управляющим р-п-переходом, с управляющим переходом

металл - полупроводник, полевые транзисторы с изолированным за­

твором и структурой металл - диэлектрик - проводник (МДП-транзис­

торы).

Наибольшее распространение получили МДП-транзисторы,

которые широко используются в интегральных схемах и как

дискретные приборы. МДП-транзисторы применяются в пере­ ключающих схемах. Транзисторы с переходом металл - полу­ проводник находят применение в быстродействующих цифровых

интегральных микросхемах и СВЧ-устройствах. ПТ с управляю-

щимр-п-переходом используются чаще всего в качестве низко­

частотных дискретных приборов.

В транзисторах с любым видом управляющего электрическо­

го пер~хода канал исходно технологически сформирован. Одна­

ко в МДП-транзисторах канал часто технологически не сформи­ рован. Он образуется за счет приложения к затвору определен­

ного напряжения и формирования поперечного к поверхности электрического поля. Такие транзисторы называются МДП-тран­

зисторами с индУцированным каналом. Если же в исходном состоя­ нии канал технологически сформирован, то такие приборы на­

зываются МДП-транзисторами со встроенным каналом.

Все указанные транзисторы различаются между собой струк­ турой и способом управления проводимостью канала. При этом под способом в данном случае следует понимать не различие фи­

зических процессов в каждом типе транзистора, а физико-техно­

логическую структурную разновидность, реализующую измене­

ние проводимости под влиянием потенциалов на электродах.

В полевых транзисторах с затворами металл - полупроводник или р-п-переходом на электрический переход подается обрат­ ное напряжение, которое изменяет толщину обратносмещенного перехода. Следовательно, напряжение на затворе, меняя толщи­ ну обедненного слоя, изменяет и толщину проводящей части ка­ нала, т. е. его сопротивление и ток через него. В МДП-транзисто­ рах напряжение на металлическом затворе через тонкий слой

диэлектрика создает поперечное относительно поверхности

электрическое поле в полупроводнике, которое управляет кон­

центрацией носителей в канале.

Затвор в электрических схемах обычно является входным

электродом, поэтому полевые транзисторы имеют, в отличие от

биполярных, большое входное сопротивление на постоянном

токе, которое определяется либо обратносмещенным электри­ ческим переходом, либо тонким слоем диэлектрика. Поэтому

полевые транзисторы, как и электронные лампы (см. гл. 11), от­ носятся к приборам, управляемым напряжением (электриче­ ским полем), в которых входное напряжение определяется ЭДС входного источника и не зависит от параметров самого прибора. В то время как биполярные транзисторы из-за малого входного

сопротивления относятся к приборам, управляемым током. Полевые транзисторы могут включаться по схемам с общим ис­

током, общим затвором или общим стоком. Наиболее распростране:н­ ной является схема с общим истоком. Обозначения МДП-транзис-

торов, включенных по схеме с общим истоком с указанием поляр­

ности поданных на электроды напряжений, представлены на

рис. 6.1. На рис. 6.1, а и 6.1, в соответственно представлены

МДП-транзисторы с индуцированным каналом п-типа и р-типа,

где область исток - канал - сток изображается штриховой лини­ ей, а для транзисторов со встроенными каналами п- (рис. 6.1, б) и р-типа (рис. 6.1, г) - сплошной. "Условные обозначения в схеме

включения с общим истоком для транзисторов с переходом ме­ талл - полупроводник и управляющим переходом изображены

на рис. 6.1, ди 6.1, е, соответственно для каналов п- ир-типа.

6.2. Формирование канала в МДП-транзисторах

"Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом

представлено на рис. 6.2, а, где 1 - подложка, 2 - область ис­

тока, 3 - вывод истока, 4 - диэлектрический слой Si02 , 5 -

затвор, 6 - индуцированный канал (или область формирования

канала), 7 - сток, 8 - область стока, L - длина канала, oL -

область перекрытия с 2 и 8 (см. также рис. 6.10). Если напряже­

ние на затворе отсутствует, то в исходном состоянии канал не

существует.