Gurtov_TE

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 рисунке 7.11 приведена схема тринистора, используемая для расчета вольт-амперных 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:

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

Отсюда ВАХ тиристора на закрытом участке равна:

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.

311

Если же ток уменьшить до критического значения Iу, то в результате рекомбинации и рассасывания избыточные заряды в базах уменьшатся, р-n переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжений на р-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-амперной 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 отсуствует, такой прибор называют диаком. При наличии управляющего электрода базы – триаком. На рисунке 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 пооче-

312

редно роль коллекторного перехода в зависимости от полярности напряжения на эмиттерах.

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 рисунке 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 рисунке 7.13.

Рис. 7.13. Однопереходной транзистор а) схема включения; б) вольт-амперная характеристика; в) условно-графическое обозначение; г) эквивалентная схема

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

В случае высокого уровня инжекции (pn >> nn0) ситуация другая. Поскольку концентрация инжектрированных неосновных носителей больше, чем концентрация основных носителей, в случае высокого уровня инжекции

313

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 рисунке 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 абцесс.

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 рисунке 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 рисунке 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.

314

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?

315

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 pn-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 в 1958 году, поэтому базовый вариант лавиннопролетного диода на основе ассиметричного pn-перехода обычно называют диодом Рида. Генерация СВЧ колебаний в такого сорта германиевых структур впервые наблюдалась в 1959 году Тагером А.С., 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 pn-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.

316

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 рисунке 8.1 приведены схема, зонная диаграмма, распределение легирующих примесей, электрического поля, коэффициента ударной ионизации в диоде Рида при напряжении, равном напряжению лавинного пробоя [10, 20, 31].

Рис. 8.1. Схема, зонная диаграмма, распределение концентраций легирующих примесей, электрического поля, коэффициента ударной ионизации в диоде Рида при напряжении, близком к напряжению лавинного пробоя [10, 31]

317

Для обратносмещенного pn-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 pnперехода, составляющего малую долю ширины обедненной области p+-n- перехода. Ширина области умножения Wу определяется таким образом, чтобы при интегрировании коэффициента ионизации от 0 до Wу получить 95% полной величины эффективного коэффициента. Для случая приведенного на рисунке 1, ширина области лавинного умножения составляет 0,2 мкм для кремниевых структур. Вне этой области умножение не происходит. Поэтому оставшуюся часть ОПЗ будем называть областью дрейфа. Важнейшей характеристикой области дрейфа является скорость носителей заряда, с которой они проходят через эту область. Для того, чтобы время пролета было минимально, необходимо в ОПЗ иметь высокие значения напряженности электрического поля. Для высоких электрических полей, вследствие рассеивания на оптических фононах, дрейфовая скорость достигает насыщения. Значение электрического поля, соответствующего этому критерию, для кремния равняется 104 В/см, для арсенида галлия 103 В/см.

Различные разновидности лавинно-пролетных диодов реализованы в виде диода с симметричным pn-переходом, диода с трехслойной базой и в виде pin-диода.

318

8.3. Малосигнальные характеристики

Как уже отмечалось выше, появление фазового сдвига между током и напряжением на выводах лавинно-пролетного диода обусловлено двумя физическими процессами, имеющими конечные времена протекания и связанными с временем нарастания лавинного тока, и с прохождением носителей через пролетную область. Рассмотрим запаздывание фазы, обусловленное этим явлением, на примере идеализированного диода. Будем считать, что импульс тока проводимости jc инжектируется при x = 0 с фазовым углом φ по отношению к полному току j, а постоянное обратное смещение таково, что инжектированные носители движутся в области дрейфа с постоянной скоростью насыщения vd. Плотность переменного тока проводимости jc при х = 0 равна полной плотности тока j со сдвигом фаз φ.

В произвольной области полный ток j(x) будет равен сумме тока проводимости jc и тока смещения jd.

В выражении для полного тока j(x) величина Е(х) – переменная компонента напряженности СВЧ электрического поля. Комбинируя (8.1) и (8.2), получаем выражение для импеданса Z идеализированного диода Рида в следующем виде:

В соотношении (8.3) С = εs·ε0 / W емкость на единицу площади;

θ = ω·τпр = ω·W/ vd – пролетный угол.

Выделив из выражения для полного импеданса Z действительную Re и

Рассмотрим влияние инжекционного фазового угла φ на сопротивление по переменному току (действительную часть импеданса). На рисунке 8.2 приведена зависимость действительной части импеданса для трех значений инжекционного фазового угла: φ = 0, φ = π/2 и φ = π.

319

Рис. 8.2. Зависимость действительной части импеданса (в относительных единицах) для трех значений инжекционного фазового угла:

а) φ = 0, б) φ = π/2 и в) φ = π [10, 31]

Из рисунка 8.2 видно, что когда угол φ = 0, действительная часть импеданса Re всегда положительна или равна нулю. Следовательно только пролетный эффект не может привести к появлению отрицательного сопротивления. В том случае, если инжекционный фазовый угол φ отличен от нуля, то сопротивление может быть отрицательным при некоторых значениях пролетных углов. Максимальное значение отрицательного сопротивления наблюдается при инжекционном фазовом угле φ равном π и пролетном угле θ равном π. Это соответствует лавинно-пролетному режиму работы диода, когда фазо-

320