gurtov

7.2. Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Таким образом, для реализации тиристорного эффекта в четырехслойных p-n-p-n- структурах необходимо введение рекомбинационных центров в эмиттерные переходы

тиристора с тем, чтобы обеспечить зависимость коэффициента инжекции γ, а следовательно, и коэффициента передачи α от напряжения, приложенного к тиристору.

α

1,0

0,5

0

Рис. 7.8. Типичная зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера Iэ при наличии сильной рекомбинации в ОПЗ эмиттерных p-n-переходов

7.2.4.Зависимость коэффициента М от напряжения VG. Умножение в коллекторном переходе

Другой физический механизм, приводящий к накоплению объемных зарядов в базах тиристора, связан с лавинным умножением в коллекторном переходе. При больших значениях обратного напряжения на p-n-переходе величина электрического поля E в области пространственного заряда может приблизиться к значению, соответствующему напряжению лавинного пробоя. В этом случае на длине свободного пробега λ электрон или дырка набирают энергию q λE, большую, чем ширина запрещенной зоны полупроводника q λE > Eg, и вызывают генерацию новой электронно-дырочной пары. Это явление аналогично лавинному пробою в стабилитронах.

Если М — коэффициент ударной ионизации, определяемый как количество носителей, рожденных при лавинном умножении одной частицей, то М описывается эмпирической формулой:

где UМ — напряжение лавинного пробоя, а значение коэффициента n для Ge, Si равно 3.

Таким образом, умножение в коллекторе может служить причиной накопления объемных зарядов в базах тиристора. С формальной точки зрения, умножение в коллекторе эквивалентно росту коэффициента передачи и величине коллекторного тока.

Таким образом, возвращаясь к вольт-амперной характеристике тиристора, приведенной на рис. 7.4, можно отметить следующие особенности различных участков ВАХ в области прямых смещений. В состоянии «закрыто», по мере роста напряжения

Глава 7. Тиристоры

на тиристоре 1-2, в последнем растут коэффициенты передачи эмиттерного тока α или коэффициент умножения M в коллекторном переходе. В точке переключения 2 выполняется условие M (α1 + α2) = 1, и начинается процесс накопления объемных зарядов в базах тиристора. Участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением 2-3, не наблюдаемый на статических ВАХ, как раз связан с формированием этого объемного заряда в базах тиристора. Время накопления заряда и есть время переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто». Участок 3-4 характеризует открытое состояние тиристора. На этом участке все три p-n-пере- хода смещены в прямом направлении и сопротивление тиристора мало и составляет десятки ом.

Резюмируя, отметим, что не каждая четырехслойная p-n-p-n-структура может обладать тиристорным эффектом. Обязательным условием для его реализации является или наличие рекомбинационных центров в области пространственного заряда эмиттерных p-n-переходов, или реализация условий для лавинного умножения в коллекторном p-n-переходе.

7.3. Тринистор

Как уже говорилось, чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопить избыточный отрицательный заряд в базе n1 и положительный в базе р2. Это осуществляется путем увеличения уровня инжекции через эмиттерные переходы П1 и П3 при увеличении напряжения на тиристоре до Uперекл. Накоплением объемных зарядов в базах Б1 и Б2 можно управлять, если у одной из баз имеется контакт, который называется управляющим электродом (см. рис. 7.2а).

На управляющий электрод базы подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении.

Это приводит к росту тока через эмиттерный переход и снижению Uперекл. На рис. 7.9 показано семейство ВАХ тиристора при различных значениях управляющего тока.

При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую ветвь ВАХ диода. Критическое значение тока Iупр, при котором на ВАХ тиристора исчезает участок с отрицательным диффиренциальным сопротивлением и тринистор включается, минуя запертое состояние, называется током спрямления.

Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет значения параметров: напряжение переключения и ток переключения.

I

Рис. 7.9. ВАХ тринистора при различных значениях управляющего тока базы Iупр

7.3. Тринистор

На рис. 7.10 приведены параметры, характеризующие различные тиристоры в зависимости от выбора рабочей точки. Наиболее важные параметры — это время выключения тиристора, управляющий и удерживающий токи.

Рис. 7.10. Примеры характеристик кремниевых тринисторов КУ104 [80]:

а) зависимость отпирающего импульсного тока управления Iу от длительности отпирающего импульса tу; б) зависимость времени выключения tвыкл от постоянного тока в открытом состоянии Iос тиристора; в) зависимость тока удержания Iуд от температуры T окружающей среды

7.3.1. Феноменологическое описание ВАХ тринистора

Аналогично как для динистора, запишем систему уравнений для тока тиристора через эмиттерный и коллекторный p-n-переходы, с учетом управляющего тока Iу через вторую базу

Сумма всех токов, протекающих через переход П3, будет равна:

На рис. 7.11 приведена схема тринистора, используемая для расчета вольт-ам- перных характеристик в закрытом состоянии.

Рис. 7.11. Схема включения тринистора для расчета ВАХ

Сохраняя обозначение тока тиристора, как и ранее, через знак I = Iэ, запишем:

Глава 7. Тиристоры

При наличии лавинного умножения М в коллекторе П3 ток через коллекторный переход будет равен:

Уравнение (7.13) описывает ВАХ тиристора в закрытом состоянии, поскольку коэффициенты М, α1 и α2 зависят от напряжения VG.

Аналогично динистору, в открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживаются избыточные заряды в базах, необходимые для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению.

Если же ток уменьшить до критического значения Iу, то в результате рекомбинации и рассасывания избыточные заряды в базах уменьшатся, p-n-переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на p-n-переходах, уменьшатся инжекции из эмиттеров и тиристор перейдет в закрытое состояние.

7.3.2. Симметричные тринисторы

Конструкция и устройство тиристора позволяют включить два тиристора со структурами p-n-p-n и n-p-n-p параллельно друг другу. В этом случае вольт-амперная характеристика таким образом включенных тиристоров будет симметрична относительно оси напряжений и токов. Полупроводниковый прибор с симметричной вольт-ам- перной характеристикой, имеющей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и реализующий два бистабильных состояния «закрыто» и «открыто» называется семистором. Семистор состоит из пяти последовательно чередующихся p- и n-областей. В том случае, если управляющий электрод отсутствует, такой прибор называют диаком. При наличии управляющего электрода базы — триаком. На рис. 7.12. приведены структурные схемы, вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение триака.

Симметричные триодные тиристоры используются как ключевые элементы в цепях переменного напряжения. При положительном потенциале на электроде эмиттера Э1 тиристорный эффект реализуется в левой части триака p1 – n1 – p2 – n2. При отрицательном потенциале на электроде эмиттера Э1 тиристорный эффект реализуется в правой части триака p2 – n1 – p1 – n4. При подаче управляющего напряжения на базу Б в зависимости от полярности управляющего напряжения меняется напряжение переключения тиристора. Переходы П3 и П5 играют роль эмиттерных переходов, а переходы П1 и П2 поочередно — роль коллекторного перехода в зависимости от полярности напряжения на эмиттерах.

7.4. Однопереходные транзисторы

Э2

Управляющий

электрод

I

Iупр = 0

Б

Рис. 7.12. Схема (а), вольт-амперная характеристика (б) и условное графическое обозначение (в) триака

7.4. Однопереходные транзисторы

Полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, имеющий на вольт-амперной характеристике область с отрицательным дифференциальным сопротивлением, называется однопереходным транзистором. На рис. 7.13 приведены схема включения однопереходного транзистора, его вольт-амперная характеристика и условное графическое обозначение. Особенностью конструкции однопереходного транзистора является наличие длинной слаболегированной базы с омическими контактами Б1 и Б2, как показано на рис. 7.13.

Принцип работы однопереходного транзистора основан на явлении сильной инжекции или, другими словами, на высоком уровне инжекции. Для большинства биполярных приборов активный режим работы реализуется при условии низкого уровня инжекции. Критерий низкого уровня инжекции заключается в том, что концентрация инжектированных неосновных носителей существенно ниже, чем концентрация основных носителей. Для полупроводника n-типа это означает, что концентрация pn существенно меньше, чем nn0. Поскольку проводимость полупроводника определяется суммой концентраций основных и неосновных носителей,

Глава 7. Тиристоры

в случае низкого уровня инжекции проводимость, а следовательно, и сопротивление полупроводника при инжекции неосновных носителей не меняются.

Рис. 7.13. Однопереходной транзистор:

а) схема включения; б) вольт-амперная характеристика; в) условно-графическое обозначение; г) эквивалентная схема

В случае высокого уровня инжекции (pn >> nn0) ситуация другая. Поскольку концентрация инжектрированных неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей, в случае высокого уровня инжекции проводимость, а следовательно, и сопротивление полупроводника при инжекции неосновных носителей существенно меняются.

Рассмотрим, каким образом условие высокого уровня инжекции проявляется в вольт-амперных характеристиках однопереходного транзистора. При подаче напряжения между базами Б1 и Б2 вследствие омических контактов к этим базам приложенное напряжение линейно распределится вдоль полупроводниковой базы однопереходного транзистора. Эмиттер однопереходного транзистора Э находится примерно посередине базы. На рис. 7.13 эта точка обозначена буквой А. При положительном потенциале в точке Б2 (например, напряжение питания V = +5 В) величина потенциала в точке А будет также положительна (соответственно V = +2 В). При нулевом напряжении на эмиттере это соотвествует обратному смещению p-n-перехода эмиттер – база. При росте напряжения на эмиттере до тех пор, пока напряжение на эмиттере не сравняется со значением потенциала в точке А, эмиттерный переход будет смещен в обратном направлении. На вольт-амперной характеристике этот участок находится ниже оси абсцисс.

Контрольные вопросы

Когда значение напряжения на эмиттере сравняется и будет чуть выше, чем значение потенциала в точке А, произойдет прямое смещение p-n-перехода эмиттер – база. В этом случае в базу будут инжектированы неосновные носители. База однопереходного транзистора слабо легирована, концентрация основных носителей в ней невелика. Поэтому при прямом смещении эмиттерного перехода легко реализуется критерий высокого уровня инжекции. Это приводит к тому, что в области базы А-Б1 суммарная концентрация основных и неосновных носителей становится выше, чем в равновесном состоянии, а, следовательно, сопротивление этой области уменьшается. На рис. 7.13г эта область базы представлена в виде переменного резистора, сопротивление которого начинает уменьшаться при достижении напряжения на эмиттере.

Уменьшение сопротивления базы на участке А-Б2 вызывает уменьшение потенциала в точке А, формируемого за счет источника питания в цепи Б1-Б2. Это, в свою очередь, увеличивает прямое смещение эмиттерного перехода и величину инжекционного тока. Такая положительная обратная связь обуславливает переключение однопереходного транзистора в состояние с высоким значением тока эмиттера. Переходной участок ВАХ является участком с отрицательным дифференциальным сопротивлением и показан на рис. 7.13б. В стационарном состоянии на участке с высоким значением тока вольт-амперная характеристика однопереходного транзистора описывается как ВАХ диода в режиме высокого уровня инжекции, ток которого ограничен объемным сопротивлением базы диода.

Контрольные вопросы

7.1.Каковы особенности конструкции тиристора?

7.2.На каком участке ВАХ тиристора идет накопление объемного заряда в базах тиристора?

7.3.Какова причина зависимости коэффициента передачи от напряжения на тиристоре?

7.4.Как влияет знак тока базы на напряжение переключения тиристора?

7.5.Почему ВАХ тиристора имеет участок отрицательного сопротивления?

ГЛАВА 8

ЛАВИННО-ПРОЛЕТНЫЕ

ДИОДЫ

8.1. Общие сведения

Лавинно-пролетным диодом (ЛПД) называют полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением в СВЧ-диапазоне, работающий при обратном смещении p-n-перехода в режиме лавинного умножения носителей заряда и их пролета через область пространственного заряда (ОПЗ) полупроводниковой структуры. Теоретические разработки с описанием идеи создания ЛПД впервые были изложены У. Ридом

в1958 году, поэтому базовый вариант лавинно-пролетного диода на основе асимметричного p-n-перехода обычно называют диодом Рида. Генерация СВЧ-колебаний в такого сорта германиевых структурах впервые наблюдалась в 1959 году А. С. Тагером, а затем в 1965 году на кремниевых диодах Р. Л. Джонсоном [6, 14, 17, 20, 23].

Возникновение отрицательного сопротивления в лавинно-пролетных диодах обусловлено двумя физическими процессами, имеющими конечные времена протекания в ОПЗ p-n-перехода в режиме лавинного умножения. Первый процесс связан с временем нарастания лавинного тока, а второй процесс связан с прохождением носителей через пролетную область. Их суперпозиция приводит к появлению фазового сдвига между током и напряжением на выводах диода. Одним из основных критериев, необходимым для работы ЛПД, является примерное равенство между периодом колебаний СВЧ-поля и характерным временем пролета носителей через ОПЗ.

Вэтом случае пакет инжектированных носителей, дрейфуя через пролетную область в ускоряющем постоянном поле, но тормозящем СВЧ-поле, осуществляет преобразование энергии постоянного электрического поля в энергию СВЧ-колеба- ний, что и служит физической основой для использования лавинно-пролетных диодов

вкачестве генераторов СВЧ-колебаний.

8.2. Устройство и зонная диаграмма

Рассмотрим устройство и параметры лавинно-пролетного диода на основе классического диода Рида со структурой p+-n-i-n+. На рис. 8.1 приведены схема, распределение легирующих примесей, электрического поля и коэффициента ударной ионизации в диоде Рида при напряжении, равном напряжению лавинного пробоя [10, 20, 31].

Для обратносмещенного p-n-перехода максимальное значение напряженности электрического поля наблюдается на металлургической границе, а поскольку коэффициент лавинного умножения, согласно формуле (4.36), сверхэкспоненциально резко зависит от напряженности поля, то практически весь процесс умножения носителей происходит в узком слое высокого поля p-n-перехода, составляющего малую долю ширины обедненной области p+-n-перехода. Ширина области умножения Wу определяется таким образом, чтобы при интегрировании коэффициента ионизации