
Лекции
.pdfПолевые транзисторы |
91 |
|||||
S |
dIС |
|
при UСИ const. |
(1.69) |
||
dUЗИ |
|
|||||
|
|
|
|
|
||
Коэффициент усиления в режиме насыщения |
|
|||||
M |
dUСИ |
при IС const. |
(1.70) |
|||
|
||||||
|
|
dUЗИ |
|
|||
Причем все эти три параметра связаны выражением |
|
|||||
|
|
|
M S Ri , |
(1.71) |
которое называется внутренним уравнением.
В качестве предельно допустимых электрических параметров нормируются UСИ max и UЗИ max , т.к. их неограниченный рост приводит к пробою р-n-перехода затвор-канал и выходу из строя прибора; максимальная мощность рассеивания стоком PСmax ; максимально допустимый ток стока IСmax . Кроме того, надо помнить о существовании межэлектродных емкостей: затвор-сток CЗС и затвор-исток
CЗИ (обычно 10 20 пФ). Отсюда ограничение по частоте.
1.7.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором (МОП, МДП)
Идея работы этих транзисторов основана на управлении объемным зарядом внутри полупроводника через слой диэлектрика толщиной 0,1 0,2 мкм. Они обладают очень высоким входным сопротивлением (1012 1014 Ом) и лучшими шумовыми характеристиками за счет отсутствия р-n-перехода и процессов в нем.
Характерной особенностью полевых транзисторов, и особенно МДП-типа, являются весьма малые размеры активной части. Области стока и истока представляют собой весьма тонкие высоколегированные участки. Слой диэлектрика имеет толщину 0,1 0,25 мкм. Все это приводит к снижению электрической и тепловой прочности приборов. Даже заряды в 0,1 мкКл (которые могут накапливаться на операторах из-за статической электризации) могут привести к пробою между электродами. Поэтому пайку надо производить паяльником с заземленным жалом, в момент пайки все выводы должны быть закорочены. Повреждения в результате

92 |
Полупроводниковые приборы |
действия статического электричества могут быть с полной потерей работоспособности (что имеет место при КЗ между затвором и электродами стока и истока, обрыв в цепи любого электрода) и с частичным ухудшением параметров (увеличение тока затвора на 1 3 порядка, к примеру).
Имеется два основных варианта исполнения МДП-транзисторов. Первый вариант– с встроенным каналом показан на рисунке 1.50.
И – |
+ |
З |
+ |
С |
3 |
|
– |
|
|
4
З |
С |
n+ |
n |
n+ |
З |
С |
И |
1 |
|
|
И |
||
|
n-канал |
|
|
2 |
p-канал |
|
|
p |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
5 |
|
Рис. 1.50
В слое р-типа имеют место две сильно легированные области n-проводимости: исток и сток (1 и 2). Металлический электрод 3 служит затвором, он изолирован диэлектрической пленкой (окись кремния) от канала 5. Исток – общий электрод, как правило, заземляется. Канал n-типа в нашем случае сформирован в процессе изготовления и называется «встроенным» или собственным.
На рисунке 1.51 показан второй вариант транзистора с так называемым «индуцированным» каналом, который формируется только в случае подачи на затвор положительного потенциала относительно истока.
И З
С
n+ |
n+ |
p
С З
И
n-канал
Рис. 1.51
Работа транзистора с встроенным каналом основана на зависимости объемного заряда подвижных носителей канала от полярности и величины напряжения, приложенного к затвору относи-

93
тельно истока. Если подать на затвор минус, то поле затвора стремится как бы вытолкнуть электроны из зоны канала, т.е. обеднить его основными носителями, в результате растет сопротивление канала. Такой режим называется обеднением. При UЗИ 0 поле затвора стремится «втянуть» в канал дополнительные электроны, сопротивление его падает. Такой режим называется обогащением.
В транзисторе с индуцированным каналом при UЗИ 0 канал n-типа отсутствует и между стоком и истоком течет очень малый обратный ток р-n-перехода между n- и р-областями. При UЗИ 0 в поверхностном слое р-типа накапливается достаточно электронов для образования n-канала. Напряжение, при котором он образуется, называется пороговым. То есть работа идет только в режиме обогащения.
Статические характеристики таких транзисторов, по сути, такие же, как и для предыдущего случая, т.е. представляют собой зависимость IС f UСИ при UЗИ const для выходных и зависи-
мость IС f UЗИ при UСИ const для проходных. Сами характе-
ристики для обоих видов МДП-транзисторов показаны на рисунках
1.52 и 1.53.
|
|
IС |
|
IС |
+2 В |
|
UСИ >Uнас. |
|
+ 1 В |
встроенный |
|
|
UЗИ=0 |
|
|
|
канал |
|
|
|
– 2 В |
UСИ <UСИ нас. |
|
|
|
||
|
–1 В |
|
|
|
|
|
|
0 UСИ нас. |
UСИ |
0 |
UЗИ |
Рис. 1.52
Переход от крутого участка к пологому обусловлен тем, что канал даже при UЗИ 0 изменяет свою геометрию с изменением UСИ . Ведь тут тоже образуется р-n-переход, который напряжением UСИ модулируется, а именно расширяется, а канал при этом перекрывается.

94 |
Полупроводниковые приборы |
IС
0
+4 В |
|
IС |
|
+3 В |
индуцированный |
|
UСИ >Uнас. |
|
|
|
|
+2 В |
канал |
|
|
|
|
|
|
UЗИ=1 |
|
|
UСИ <UСИ нас. |
|
|
|
|
|
UСИ |
0 |
UЗИ |
Рис. 1.53
Параметры этих транзисторов аналогичны уже известным:
RС dUСИ при UЗИ const, примерно (50 500) кОм; dIС
S |
dIС |
при UСИ const, примерно (0,5 2) мА/В; |
|
dUЗИ |
|||
|
|
MS RС – сотни и тысячи.
1.8.ТИРИСТОРЫ
1.8.1. Общая характеристика тиристоров
Тиристоры – это приборы, обладающие такой статической вольт-амперной характеристикой, что при увеличении напряжения до некоторого значения UП (напряжение переключения) ток через прибор очень мал, а затем резко возрастает. При этом обеспечивается большая скорость нарастания тока и малые потери электрической энергии, преобразующейся в тепло (рис. 1.54).
Ia
0 |
Ua |
|
UП |
Рис. 1.54 |
|

Тиристоры |
95 |
Изготавливаются тиристоры из кремния и выпускаются на
очень широкий диапазон токов и напряжений (от 10 3 А до n 103 А и от десятков до десятков тысяч вольт). Маломощные приборы применяются в релейных системах и коммутационных устройствах, а мощные приборы – в преобразовательной технике. Тиристоры могут выпускаться с двумя основными электродами (анодкатод), и включение их в этом случае осуществляется путем изменения полярности приложенного напряжения. Такие тиристоры называются неуправляемыми или диодного типа – динисторами. Другой тип тиристоров – с тремя электродами, которые, собственно, и называются тиристорами или тринисторами. Они имеют третий электрод – управляющий, осуществляющий перевод тиристора из закрытого состояния в открытое. Если с помощью управляющего электрода возможно только включение тиристора, то такие тиристоры называют однооперационными, а если возможно и выключение, то – двухоперационными.
1.8.2. Неуправляемые тиристоры (динисторы)
Динисторы представляют собой четырехслойную структуру, выполненную путем внесения в исходный монокристалл акцепторной примеси для образования слоев p1 и p2 и донорной примеси для слоев n1 и n2 (рис. 1.55).
|
|
p1=1017П1n1=101П2 |
p2=1017П3 n2=1019 |
|
|
|||
|
|
+ |
5 |
In |
– |
|
|
|
|
|
Ip |
|
|
|
|||
А |
|
+ |
– In |
Ip + |
– |
|
|
K |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W1 |
W2 |
|
|
|
|
Рис. 1.55
При этом образуется три перехода П1, П2 и П3. Слой p1 работает при указанной полярности напряжения («+» к аноду и «–» к катоду), как эмиттер, инжектирующий дырки в слой n1 – базу. А слой n2 – как эмиттер, инжектирующий электроны во вторую базу p2. Полный ток в эмиттерных слоях создается главным образом дырками или электронами, а в базах – и теми, и другими.

96 |
Полупроводниковые приборы |
Исходя из структуры динистора его можно рассматривать в виде 2-х сочлененных транзисторов из слоев p1, n1, p2 и n2, p2, n1, которым соответствуют переходы П1, П2 и П3, П2. Слой n1 – база первого триода и коллектор второго, а слой p2 – база второго и коллектор первого. Переходы П1 и П3 – эмиттерные переходы, а переход П2 – общий коллекторный.
Рассмотрим процессы в динисторе, протекающие при отсутствии внешних источников напряжения. Во всех переходах по известным причинам возникают потенциальные барьеры, приводящие к уравновешиванию диффузионного движения основных носителей дрейфовым движением неосновных носителей. При этом результирующие токи через переходы, а следовательно, и во внеш-
ней цепи равны нулю: Iа 0 IП1 IП2 IП3 .
При наличии же внешнего источника напряжения, включенного плюсом к слою p1 и минусом к слою n2 (рис. 1.56), эмиттерные переходы П1 и П3 оказываются прямосмещенными, а коллекторный П2 – обратносмещенным.
При этом, учитывая, что концентрация основных носителей в слоях p1 и n2 на несколько порядков выше, чем в базах n1 и p2,
можно пренебречь движением электронов из n1 в p1 In |
и дырок |
из p2 в n2 Ip и считать, что токи через переходы П1 |
и П3 обу- |
словлены движением основных носителей слоя p1 (т.е. дырками) и
слоя n2 (т.е. электронами) |
Ip и In. |
|
|
|
|||
|
|
|
p1 |
П1 n1 П2 p2 П3 |
n2 |
|
|
|
|
|
Ip p |
|
|
In n |
|
|
|
|
+ |
Iкp+ |
Iкn |
– |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
+ |
– |
|
||
|
|
|
|
– |
|
||
|
|
|
Ip(1– p) |
In(1– n) |
|
||
|
|
|
|
Ua |
|
|
|
+ |
Ea |
– |
|
R |
|
Рис. 1.56 |
В базе n1, т.к. она не имеет внешнего вывода, при этом остаются дырки рекомбинационной составляющей тока первого эмит-
|
Тиристоры |
97 |
тера Ip 1 p , |
электроны сквозной составляющей тока второго |
|
эмиттера n2, т.е. |
In n, и электроны собственного тока коллектор- |
|
ного перехода П2, т.е. Iкn из слоя p2. Из того же слоя n1 |
уходят |
|
дырки собственного тока коллекторного перехода П2, т.е. |
дырки |
|
слоя n1 или Iкp (см. рис. 1.56). |
|
В определенном диапазоне изменения Ua выполняется условие зарядной нейтральности баз, суть которого в том, что при отсутствии электрического поля число зарядов противоположных знаков в любом объеме полупроводника одинаково (у нас поле сосредоточено в переходах). Основываясь на этом, можно записать выражение баланса зарядов для каждой из баз:
для базы n1 |
Ip 1 p Iкp |
|
|
In n Iкn; |
(1.72) |
||
для базы p2 |
In 1 n Iкn |
|
|
Ip p Iкp. |
|
||
|
|
|
|
При выполнении условия (1.72) токи через переходы П1 и П3 |
|||
обусловлены движением только основных носителей Ip |
и In. (Дей- |
||
ствительно, все электроны, пришедшие из слоя n2, т.е. |
In n в базу |
||
n1, остаются в базе n1 |
и рекомбинируют с дырками, а через П1 не |
идут.) А на основе того, что в любом сечении последовательной цепи ток одинаков, токи Ip In и равны току через коллекторный
переход П2 IП2 и току во внешней цепи Ia. Поэтому можно запи-
сать: Ia Ip In IП2 , в свою очередь IП2 Ip p In n Iк . Очевидно, что для выполнения баланса зарядов по выражениям (1.72) в соответствующем диапазоне изменения Ua должно выполняться
условие p n 1. Сам баланс зарядов в базах поддерживается
при этом изменением собственного тока коллекторного перехода
Iк Iкp Iкn .
Из (1.72) с учетом замены Ip |
на Ia и In |
на Ia выражение для |
||||
Ia запишется следующим образом: |
|
|
|
|
||
|
|
Iк , или Ia |
|
|
Iк |
. (1.73) |
Ia 1 p |
n Iкp Iкn |
1 |
p n |
|||
|
|
|
|

98 |
Полупроводниковые приборы |
Во всем диапазоне изменения Ua , при котором p n 1,
баланс зарядов выполняется, переход П2 обратно смещен и ток Ia достаточно мал, т.к. мал сам Iк . Картина баланса зарядов в базах приведена на рисунке 1.57.
|
p1 |
П1 n1 П2 p2 П3 |
n2 |
|
Ia |
Ip p |
Iкp + |
In(1– n) |
|
+ |
– |
|
||
|
+ |
–Iкn |
– |
|
|
Ip(1– p) |
|
In n |
|
Ua
+ |
Ea |
– |
|
R |
Рис. 1.57
С ростом Ua обратное смещение перехода П2 растет в определенных пределах, но растут при этом и коэффициенты передачиp и n за счет сужения баз. При Ua UП имеем p n 1 и за счет нарушения баланса зарядов в базах, а именно появления нескомпенсированного отрицательного заряда в n1 и положительного в p2, переход П2 открывается, при этом сопротивление всего прибора падает и мы переходим на рабочий участок вольт-амперной характеристики. Здесь уже выражение (1.73) не имеет смысла.
Для детального уяснения вольт-амперной характеристики динистора (рис. 1.58) отдельно рассмотрим процессы на различных ее участках.
Ia
|
4 |
|
Iуд. |
3 |
2 |
Iвкл. |
1 |
|
|
||
0 |
|
UП Ua |
Рис. 1.58 |
|

Тиристоры |
|
99 |
В общем случае мы имеем за счет роста Ua |
рост обратного |
|
смещения перехода П2, т.е. Uк , при этом растут Iк , p |
и n. Рост |
же p и n приводит к накоплению дырок в слое p2 и электронов в слое n1, т. е. к уменьшению обратного смещения П2 и уменьшению тока Iк . Следовательно, процесс этот носит динамический характер, где превалируют те или иные его фазы в зависимости от величины Ua . Уяснить эту динамику можно с помощью вспомога-
тельных зависимостей, приведенных на рисунке 1.59, где Uк – па-
дение напряжения на П2; UП1 UП3 – падение напряжения на эмиттерных переходах; Iк – обратный (собственный) ток коллек-
торного перехода П2; Ua |
– падение напряжения на всем приборе. |
|||||||||
|
|
|
|
Iк |
|
Uк |
|
|||
0 |
1 2 |
|
3 |
|
|
4 Ia |
||||
|
UП1+UП3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ua=UП1+UП2+UП3 |
|
|
|
|
|
Рис. 1.59 |
|
|
|
||||
На участке 0 1 с ростом Ia |
напряжение Uк на обратносме- |
щенном переходе П2 растет, растет его собственный ток Iк , растут
UП1 UП3 , растетUa , но растут и p n . Картина распределе-
ния зарядов при этом соответствует рисунку 1.57.
На участке 1 2 рост обратного смещения перехода П2 за счет внешнего источника напряжения компенсируется полем, создаваемым объемными зарядами электронов, накапливаемых в n1, и дырок, накапливаемых в p2, в результате напряжение на коллекторном переходе UK остается постоянным, ток коллекторного перехода Iк при
этом тоже будет постоянным, сумма напряжений UП1 UП3 слегка

100 |
Полупроводниковые приборы |
растет, аналогично растет Ua Uк UП1 UП3 , сумма коэффици-
ентов передачи p n растет, как следствие, растет ток Ia.
Кстати, рост коэффициентов p и n обусловлен не только суже-
нием баз, но и лавинным размножением носителей зарядов в переходе П2 , что можно учесть введением специальных коэффициентов M p и Mn , тогда получим p M p и n Mn .
На участке 2 3 накопление дырок в базе p2 и электронов в n1 приводит к тому, что обратное смещение начинает уменьшаться, т.е.
UK 0, ток IK 0, p n 1, напряжение Ua на приборе рез-
ко уменьшается, а результирующий ток Ia растет. В точке 3 имеем
UK 0, IK 0, p n 1, падение напряжения на приборе Ua
определяется суммой напряжений на эмиттерных переходах
UП1 UП3 . Рекомбинационные составляющие токов в базах равны токам основных носителей, инжектированных противоположными
эмиттерами, т.е. |
Ip 1 p In n и |
In 1 n Ip p. Картина |
||||||||
распределения носителей в точке 3 приведена на рисунке 1.60. |
||||||||||
|
|
p1 П1 n1 П2 p2 П3 |
n2 |
|||||||
|
Ia |
Ip p |
|
In(1– n) |
|
|
|
|||
|
+ |
|
|
|
– |
|
|
|
||
|
|
+ |
|
|
|
– |
|
|
|
|
|
|
Ip(1– p) |
|
In n |
|
|
|
|||
|
|
+ Ea – |
|
R |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.60
На участке 3 4 все переходы смещены в прямом направлении, напряжение на втором переходе UП2 меняет свой знак, следо-
вательно, собственный ток коллекторного перехода IK тоже меняет знак, т.к. теперь из n1 в p2 идут электроны Iкn, а из p2 в n1 –
дырки Iкp. Соответствующая картина движения носителей зарядов показана на рисунке 1.61.