Микроэлектроника.-2

71

припаивают к кристаллодержателю. Контактные площадки создают металлизацией, а соединение их с внешними выводами осуществляется через вольфрамовые прокладки. Герметизированный корпус предохраняет кристалл от воздействия -окру жающей среды.

Взависимости от конструктивных особенностей и свойств -ти ристоры делят на диодные и триодные.

Вдиодных тиристорах различают: тиристоры, запираемые в обратном направлении; проводящие в обратном направлении; симметричные.

Триодные тиристоры подразделяют: на запираемые в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; проводя-щие в обратном направлении с управлением по аноду или катоду; симметричные (двунаправленные). Кроме того, в их составе различают группу выключаемых тиристоров.

Условные обозначения тиристоров приведены на рис. 3.47.

Рисунок 3.47. Условные графические обозначения тиристоров:

а – диодный тиристор (динистор); б – незапираемый триодный тиристор (тринистор) с управление по катоду; в –незапираемый триодный тиристор с управлением по аноду; г – запираемый тринистор с управлением по катоду; д – запираемый тринистор с управлением по аноду; е – симметричный диодный тиристор

Для понимания работы всех видов тиристоров необходимо уяснить принцип действия диодного тиристора (рис. 3.48). Для этого необходимо представлять тиристор как совокупность двух разноструктурных БТ, работающих при прямом включении тиристора (рис. 3.49), в активном режиме. При таком включении

73

По мере увеличения напряжения на аноде возрастает падение напряжения на эмиттерных переходах 1 и 3. Поскольку транзисторы работают в активном режиме, то это приводит к тому, что электроны из эмиттера Э1 инжектируются в базу Б1 и пройдя ее

экстрагируются полем коллекторного перехода Eвн и накапли-

ваются в базе Б2 (знаки “-“ в Б2). Одновременно инжектированные переходом Э2 дырки накапливаются в базе Б1, создавая положительный объемный заряд (знаки ‘+” в Б1). Возникающие

заряды в базах создают электрическое поле EОЗ , вектор которо-

го направлен противоположно вектору электрического поля коллекторного перехода Eвн . Как только полеEОЗ станет больше поля Eвн , коллекторный переход из обратносмещенного

перейдет в прямосмещенный и тиристор откроется. Т.е. в нем установится большой ток, поскольку все три p-n перехода будут смещены в прямом направлении и имеют малое сопротивление (участок 3 на ВАХ). Таким образом, для того чтобы тиристор открылся необходимо, чтобы коллекторный переход из обратносмещенного стал бы прямосмещенным. Это достигается за

счет поля объемных зарядов EОЗ , создаваемого электронами и дырками в базах Б1 и Б2. Если по какой-либо причине это поле станет меньше Eвн , то тиристор закроется, т.е. перейдет в со-

стояние с высоким сопротивлением (участок 1 на ВАХ). Переход из состояния1 в состояние 3 происходит достаточно быстро из-за наличия положительной обратной связи. Она проявляется в том, что накапливающиеся в базе Б2 электроны увеличивают прямое смещение перехода Э2, что вызывает повышенный уровень инжекции перехода Э2 и увеличение положи-

74

тельного заряда в базе Б1. Это, в свою очередь, увеличивает прямое смещение перехода Э1 и уровня инжекции электронов, которые попадая в базу Б2 вновь увеличивают прямое смещение перехода Э1 и уровня его инжекции. Состояние 2 в тиристоре является неустойчивым и в работе не используется. Процессом накопления носителей зарядов в одной из баз можно управлять с помощью дополнительного электрода к базам Б1 или Б2 в триодном тиристоре, ВАХ которой представлена на рис. 3.51.

I A

I y > I y > I y =0

U A

Рисунок 3.51. ВАХ триодного тиристора

Триодные тиристоры отличаются от диодных тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (УЭ). УЭ необходим для подключения цепи управления. Назначение цепи управления состоит в управлении моментом включения тиристора при напряжениях в основной цепи меньших, чем напряжение переключения.

Основные параметры тиристоров:

üнапряжение переключения (постоянное - Uпр.к , импульс-

ное (десятки – сотни вольт);

üнапряжение в открытом состоянии Uос - падение напряже-

ния на тиристоре в открытом состоянии (Uос =1 ¸ 3 В);

üобратное напряжение Uобр - напряжение, при котором

тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы—тысячи В);

ü ток в открытом состоянии Iос - максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА - сотни А).

75

üток удержания I уд (десятки - сотни мА);

üобратный ток Iобр (доли мА);

управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА);

üскорость нарастания напряжения в закрытом состояниимаксимальная скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (десятки - сотни В/мкс);

üвремя включения tвкл - интервал времени, в течение кото-

рого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое (мкс - десятки мкс);

üвремя выключения tвыкл - наименьший интервал времени,

в течение, которого восстанавливаются запирающие свойства тиристора (десятки - сотни мкс); по прошествии этого времени на тиристор может быть снова подано прямое напряжение; ти-

ристор остается закрытым до следующего отпирающегоим пульса.

76

4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевыми транзисторами называют трехэлектродные полупроводниковые приборы, в которых управление током осуществляется изменением проводимости токопроводящего канала путем воздействия электрического поля, поперечного к направлению тока. Токопроводящий канал соединяет две сильнолегированных области. Область, из которой носители заряда уходят в канал, называется истоком, а область, в которую они приходят, - стоком. Электрическое поле, изменяющее проводимость канала, создается путем подачи управляющего напряжения на электрод, называемый затвором. В полевых транзисторах от истока к стоку перемещаются только основные носители заряда(либо электроны, либо дырки), поэтому их часто называютуниполярным,, в отличие от биполярных, в которых перемещаются как основные, так и неосновные носители заряда.

Существует две разновидности полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала: полевые транзисторы с управляющим переходом (p-n переходы или контакт Шоттки) и транзисторы с изолированным затвором. В транзисторах с управляющим р-п переходом в качестве затвора используется область, тип электропроводности которой противоположен типу электропроводности канала, в результате чего между затвором и каналом образуется p-n переход. В транзисторах с управляющим переходоме- талл—полупроводник металлический затвор образует с приповерхностным слоем канала выпрямляющий контакт(барьер Шоттки). В транзисторах с изолированным затвором между металлическим затвором и проводящим каналом расположен тонкий слой диэлектрика так, что образуется структураметалл-

диэлектрик - полупроводник (МДП-структура). Такие транзи-

сторы обычно называютМДП-транзисторами. Они подразделяются на транзисторы с индуцированным и встроенным каналом. Особенностью всех полевых транзисторов является незначительный ток в цепи затвора. В этом состоит важнейшее отличие полевых транзисторов от биполярных, во входной цепи которых протекает сравнительно большой ток.

77

4.1.Полевые транзисторы с управляющим р-n переходом

Втранзисторах с управляющимр-n переходом проводимость канала, соединяющего исток со стоком, изменяется путем изменения ширины ОПЗ р-n перехода, изолирующего затвор от канала.

Устройство транзистора с управляющим р-n переходом и каналом n-типа показано на рис. 4.1. На кремниевой подложке -р

функции затвора. Между затвором р-типа и каналомn-типа образуется р-n переход, отделяющий затвор от канала. Концентрация примеси в затворе значительно превышает концентрацию примеси в канале, поэтому р-n переход толщиной d почти целиком расположен в канале. Толщина канала dK зависит от отрицательного напряжения на затворе uз -и , изменяющего d , то

есть dk = d0 - d , где d0 - металлургическая толщина канала.

Чем больше отрицательное напряжениеuз -и , тем больше ширина ОПЗ р-n перехода и, соответственно, меньше толщина ка-

Принцип действия данного вида ПТ очень прост: ток между истоком и стоком модулируется напряжение на затворе. При этом причиной изменения тока является изменение геометрических размеров канала. За счет изменения обратного напряжения на управляющем p-n переходе меняется ширина его ОПЗ, каки следствие, ширина канала.

78

При подаче на сток положительного напряженияuс -и в канале возникает токic , создающий падение напряжения вдоль канала j(x) , вследствие чего толщина d и, соответственно, dK оказываются зависящими от координаты (рис. 4.2).

d

Рисунок 4.1. Устройство транзистора с управляющим p-n переходом

При небольших значениях uс-и (рис. 4.2, а) канал вдоль оси х постепенно сужается.

При некотором значении uс-и = u нас называемом напряжением насыщения, канал у стока полностью перекрывается (рис.4.2, б). При напряжении uс-и > uнас участок перекрытия d расширяется,

между каналом и областью перекрытия.

На проводящем участке канала напряжение сохраняется равным uнас , а к перекрытому участку канала оказывается приложен-

ным напряжении uс-и - u нас. Режим работы с частично перекры-

тым каналом называетсярежимом насыщения, а с неперекры-

тым каналом - линейным режимом.

79

x

Рисунок 4.2. Зависимость параметров полевого транзистора от координаты

4.2. Дифференциальные параметры

Ток стока зависит от напряжения на затворе uз -и и от напряже-

ния стока uс-и .

Поэтому выражение для полного дифференциала тока можно представить в виде

В этом выражении частные производные, определяющие приращения тока при изменении соответствующих напряжений, можно рассматривать как дифференциальные параметры транзистора.

Крутизна S: S = ¶ic ¶uз -и характеризует управляющее дейст-

é мАù

вие затвора. Ее измеряют в миллиамперах на вольт ê ú и ë В û

определяют по передаточной характеристике, как это показано