Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

Подождите немного. Документ загружается.

232 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

За время включения тиристора обычно принимают величину,

равную среднему геометрическому из указанных величин, то

есть £

вкл

= д/Мг

•

Из этих формул следует, что чем с более

высоковольтным прибором мы имеем дело (то есть чем толще

его база), тем медленнее он включается.

Выключение тиристора обычно требует намного больше вре-

мени, чем его включение. Чтобы выключить тиристор, на его

анод обычно подают отрицательное напряжение. Кинетика вы-

ключения тиристора является достаточно сложной [160, 162J,

причем из-за сохранения локальной электронейтральности ки-

нетика изменения концентраций электронов и дырок должна

анализироваться совместно.

Дп, Др, Ю

, см

10 I-

5 -

фронт

выключения

ток электронов

ток дырок

Рис. 3.10. Кинетика изменения концентраций инжектированных носителей

в тиристоре на разных этапах его выключения (а), линии тока в частично

выключенном запираемом тиристоре (б) [162]

Рассмотрим процесс выключения тиристора при подаче от-

рицательного напряжения на его анод. В начальный момент

времени, когда полярность напряжения на аноде меняется на

противоположную, все три р-п-перехода остаются смещенными

в прямом направлении (момент to

на

рис. 3.10 а). Протекающий

через тиристор ток отрицательной полярности вызывает экстрак-

цию носителей из баз транзисторов nl и р2 переходами р 1-

nl и р2-п2, соответственно. Одновременно в базах происходит

и обычная рекомбинация неравновесных носителей. При этом,

поскольку время жизни электронов в области р2 обычно меньше

времени жизни дырок в области nl, то первым закрывается

переход р2-п2 (момент tg

на

рис. 3.10а). На этом завершается

3.1. Тиристоры

233

первый этап выключения тиристора. Дальнейшая кинетика зави-

сит от того, достигает ли напряжение на аноде к концу первого

этапа напряжения пробоя перехода р2-п2. Если это так, что

встречается довольно часто, то переход р2-п2 пробивается, и

на втором этапе продолжается экстракция дырок из области nl

переходом р\~п\. В какой-то момент времени смещение на этом

переходе становится отрицательным (момент £3 на рис. 3.10 а),

и только с этого момента ток анода начинает быстро умень-

шаться. Завершением второго этапа принято считать момент,

когда ток анода упадет до величины /

уд

. Поскольку второй этап

намного продолжительнее первого этапа, характерное время вы-

ключения тиристора можно оценить по формуле

£выкл ~

Тр

, (3.12)

где /прям — ток, протекавший в прямом направлении, /

уд

—

ток удержания, а г

— время жизни дырок в базе nl. Харак-

терные значения времени выключения составляют 10-200 мкс;

для уменьшения времени жизни и ускорения выключения базу

тиристора легируют золотом, платиной, а также облучают ти-

ристоры быстрыми электронами или протонами. Следует иметь

в виду, что полное восстановление характеристик тиристора

требует дополнительного времени, и поэтому, чтобы исключить

неконтролируемое включение тиристора, полное рабочее напря-

жение положительной полярности можно подавать на тиристор

только после истечения некоторого времени, называемого комму-

тационным временем выключения t

. Для грубой оценки этой

величины можно использовать формулу t

^ 10т

[162]. Макси-

мальная частота, на которой могут работать мощные тиристоры,

составляет 1-3 кГц, хотя в некоторых конструкциях прибора она

может быть повышена до десятков килогерц.

В запираемых тиристорах GTO процесс выключения

протекает несколько иначе. Как мы уже отмечали на с. 225, из-за

сравнительно высокого сопротивления области р2, кинетические

процессы в этих приборах усложнены конечной скоростью

движения фронта выключения. Поэтому после начала пропус-

кания тока обратной полярности через управляющий электрод

процесс выключения начинается в области, прилегающей

к этому электроду (см. рис. 3.10 б). Отрицательное смещение

на переходе р2-п2, действующее в области левее фронта

выключения, прекращает инжекцию электронов в этой части

перехода, и вследствие уменьшения неравновесного заряда

234 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

электронов в расположенной напротив части области nl

ослабляется инжекция дырок переходом pl-nl. Это приводит

к уменьшению потока дырок, поступающих в область р2 в

районе фронта выключения, и позволяет фронту выключения

продвинуться дальше вправо. Когда площадь включенной

части структуры становится очень малой, происходит спад

анодного тока. Первый этап выключения завершается пре-

кращением инжекции электронов на всей площади пере-

хода р2-п2. На втором этапе протекают два процесса:

достаточно быстрый процесс восстановления области про-

странственного заряда обратно смещенного перехода р2-п2

и более медленный процесс экстракции дырок, накопленных

в базе nl, смещенным в обратном направлении переходом nl-p2.

На этом этапе ток катода уже равен нулю, а ток управляющего

электрода и ток анода быстро спадают во времени.

Фототиристоры. Для увеличения скорости включения ти-

ристоров была разработана специальная модификация конструк-

ции тиристора — фототиристор. В этой конструкции необхо-

димые для открывания тиристора носители создаются светом.

Максимум спектральной чувствительности кремниевых фототи-

ристоров лежит около X = 950 нм, что соответствует макси-

муму в спектре излучения светодиодов из GaAs. Возбуждение

неравновесных носителей происходит во всем объеме структуры.

Электронно-дырочные пары, возникшие в результате поглощения

квантов света в области пространственного заряда перехода

п\-р2, через несколько наносекунд оказываются в областях баз

составляющих тиристор транзисторов и практически одновремен-

но открывают их. Поэтому при высоких интенсивностях света

BKn

в фототиристорах может измеряться десятками наносекунд

(против единиц и десятков микросекунд в обычной конструк-

ции).

По данным фирмы Siemens, импульс света мощностью 40 мВт

производит эффект, эквивалентный воздействию импульса тока

управляющего электрода, равного 50 А (для сравнения: сред-

ний ток управляющего электрода в силовых тиристорах состав-

ляет 3 А).

Оптическое управление тиристором особенно широко исполь-

зуется при создании высоковольтных приборов (на напряжение

выше 4,5 кВ), поскольку этот способ управления не требует

сложных схем формирования управляющих сигналов и позволяет

одновременно открывать несколько тиристоров (последователь-

ное соединение тиристоров используется для создания высоко-

3.1. Тиристоры

235

вольтных схем, например, на напряжение 500 кВ для работы

в линиях электропередачи). Конструктивно фототиристоры могут

быть изготовлены либо как приборы с окном, через которое по

световоду на тиристор поступает импульс света (эта конструкция

характерна для мощных высоковольтных приборов), либо как

устройства со встроенным в конструкцию светодиодом из GaAs,

который электрически изолирован от силовой части прибора

(такая конструкция называется оптронным тиристором или

оптотиристором). Благодаря оптической развязке оптотиристо-

ры обладают повышенной помехоустойчивостью по сравнению с

обычными тиристорами.

Отметим, что использование идеи фототиристора позволяет

преодолеть еще одно серьезное техническое ограничение, су-

ществующее у мощных тиристоров: ограничение на скорость

нарастания протекающего через прибор тока dl^jdt. Дело в том,

что из-за конечного сопротивления области р2 переход тиристо-

ров большой площади в открытое состояние обычно начинается

вблизи вывода управляющего электрода и уже потом возбужде-

ние распространяется на весь объем. Скорость поперечного рас-

пространения возбуждения достаточно мала (20-200 мкм/мкс),

и поэтому если не ограничить скорость нарастания анодного

тока, то протекание через структуру высокой плотности тока

может вызвать локальный перегрев, образование шнура тока в

области первичного канала и проплавление этой области 0. Что-

бы избежать этого, в приборах большой площади для увеличения

скорости распространения возбуждения на поверхности структу-

ры создаются специальные конфигурации вывода управляющего

электрода, а также используются структуры с усилением сигнала

управления, в которых маломощный вспомогательный тиристор

формирует мощный управляющий сигнал для быстрого включе-

ния основного тиристора [14, 160, 163]. Для ограничения ско-

рости нарастания анодного тока последовательно с тиристором

(как часть демпфирующей схемы) обычно включается катушка

индуктивности.

') Статистика показывает, что при правильной эксплуатации приборов де-

градация параметров тиристоров и их выход из строя редко происходит из-за

проплавления структуры. Гораздо чаще они выходят из строя в результате

растрескивания пластины, которое является следствием термических напряже-

ний, возникающих каждый раз после прохождения через тиристор импульса

тока. Заметим, что перегрев активной области тиристора до 200-280°С может

приводить к исчезновению запирающей способности тиристора как в прямом,

так и в обратном направлениях.

236 Гл. 3.

Тиристоры

другие

многослойные структуры

Отечественной промышленностью разработано и выпускается

множество тиристоров. Примерами тиристоров малой мощности

могут служить приборы КУ202 (средний ток 10 А, максимальное

обратное напряжение до 400 В) и запираемый тиристор КУ204

(2 А, 200 В). Тиристоры средней мощности представляют фото-

тиристор ТФ132-25 (25 А, 1 кВ) и оптотиристор Т0142-80 (80 А,

1,2 кВ). К мощным тиристорам относятся Т173-5000 (5000 А,

800 В), Т193-2000 (2000 А, 6 кВ), запираемый тиристор Т3273-

2500 (2500 А, 4,5 кВ). Максимально достигнутые в настоящее

время параметры для тиристоров составляют 6000 А и 6 кВ,

а для фототиристоров — 4000 А и 8 кВ.

3.2. Многослойная структура — симистор

Еще более сложную

структуру по сравнению с

тиристором имеет прибор,

называемый симистором

(симметричным тиристором

или триаком)Этот при-

бор является управляемым

коммутатором переменного

тока, то есть его вольт-

амперная характеристика

симметрична по отношению

к полярности подаваемого

на него напряжения (см.

рис, 3.11), а открывание

прибора может осуществ-

ляться подачей на управ-

как положительной, так и

отрицательной полярности. Для получения такой вольт-

амперной характеристики в структуре симистора создается

шесть областей разного типа проводимости (см. рис. 3.12).

Левая и правая половины структуры представляют собой два

тиристора с закороченным катодом (см. п, 3.1), включен-

ных параллельно, но навстречу друг другу. Это означает,

что при подаче на симистор переменного напряжения ток

положительной и отрицательной полуволн будет протекать

) По-английски triac — это сокращение от trtode ас switch (трехэлех-

тродный коммутатор переменного тока). Первые триакп были изготовлены

в 1965 г, [167].

Рис. 3.11. Вольт-амперная характери

стика симистора

ляющии электрод напряжения

3.2. Многослойная структура — симистор

237

через разные половины прибора. Для

управленияструктурой в ней создается

•

дополнительная область n-типа (пЗ на

рис. 3.12). Для обеспечения возможно-

сти открывания тиристора обеими по-

лярностями напряжения на управляю-

щем электроде вывод этого электрода

- делается «закороченным».

Пока жем, что предста в л е н н а я

' структура позволяет использовать ее

в качестве коммутатора перемен но-

го тока. Процессы, приводящие к

открыванию прибора при четырех

возможных комбинациях полярностей

G О

А1

[пзГТ

п2 Т

р2

Til

р! р!

А2

Рис. 3.12. Поперечное сече-

ние симистора (структуры с

шестью областями разного

типа проводимости и пятью

р-n-перехода ми)

Напряжения, приложенных к симисто-

ру и его управляющему электроду, показаны на рис. 3.13. Отсчет

всех напряжений будем проводить относительно электрода А1.

G9+

G9-

А2 6-

Рис. 3.13. Схема, поясняющая возможность открывания симистора в каждой

из четырех возможных комбинаций напряжений, приложенных к симистору

и его управляющему электроду. Пунктирной линией обозначен ток первичной

инжекции, который вызывает открывание прибора

238 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

При подаче на электрод А2 и управляющий электрод G напря-

жений положительной полярности правая половина симистора

работает как обычный тиристор. При этом левая половина при-

бора представляет собой тиристор, на который подано обратное

смещение, и он неактивен. Если при положительной полярности

на электроде А2 на управляющий электрод подать напряжение

отрицательной полярности (рис. 3.136), то открывается переход

р2-пЗ и инжектируемые из области пЗ электроны попадают

в область базы nl, вызывая открывание перехода pl-nl и по-

следующий переход правого тиристора в открытое состояние.

Если на электрод А2 симистора подать напряжение отрицатель-

ной полярности, то начинает работать левая половина прибора.

Если при этом на управляющий электрод подано напряжение

отрицательной полярности, то открывается переход р2—пЗ, ин-

жектированные им электроны проникают в базу nl (пунктирная

стрелка на рис. 3.13в); для обеспечения электронейтральности

туда же начинают инжектироваться дырки из области р2 и левый

тиристор переходит в открытое состояние. Если, при отрицатель-

ной полярности напряжения на электроде А2, на электрод G

подано напряжение положительной полярности, то открывается

переход р2-п2 и инжектируемые в область базы nl электроны

(пунктирная стрелка на рис.ЗЛЗг) по описанной выше схеме

вызывают открывание левого тиристора. Следует иметь в ви-

ду, что для открывания симистора при разных комбинациях

полярностей напряжений требуется разный ток управляющего

электрода, который может изменяться в 4 раза [160].

Наряду с симисторами с управляющим электродом разрабо-

таны и выпускаются оптронные симисторы (оптотриаки), в ко-

торых для открывания симистора через электрически изолиро-

ванный от силовой части светодиод, добавленный в конструкцию

прибора, пропускается импульс тока.

Примерами отечественных симисторов могут служить широ-

ко используемый в бытовой электронике прибор КУ208 (средний

ток 5 А, максимальное напряжение до 400 В), силовой симистор

ТС

171

-320 (320 А, 1,2 кВ) и оптотриак ТС0152-125 (125 А,

1,2 кВ).

Глава 4

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Класс приборов, называемых полевыми транзисторами»

объединяет то, что работа этих приборов основана на использо-

вании эффекта поля — явления изменения электропроводности

полупроводника под действием приложенного к его поверхности

внешнего поперечного электрического поля. Идея и несколько

вариантов конструкции полевого транзистора были предложены

Лилиенфельдом в 1926-28 гг. (168). Этот транзистор представ-

лял собой плоский конденсатор, одной из обкладок которого

являлся тонкий слой полупроводника. При изменении напряже-

ния на конденсаторе менялась величина наведенного электриче-

ским полем заряда в полупроводнике и, следовательно, менялась

и проводимость слоя. Это позволяло создать на основе этого

эффекта прибор, в котором величина протекающего тока управ-

лялась бы внешним напряжением.

Первые попытки реализовать подобную конструкцию полевого

транзистора, предпринятые в Bell Laboratories в середине 40-х годов

под руководством Шокли, показали, что лишь очень малая часть наве-

денного заряда (0,1-Ю%) дает вклад в изменение проводимости [169].

Оказалось, что внешнее электрическое поле в основном экранируется

поверхностными состояниями в полупроводнике (см. п. 1.5) и поэтому

наблюдаемый эффект оказывается намного меньше ожидаемого.

Реализовать описываемую конструкцию полевого транзистора уда-

лось лишь в 1960 г. в приборах из кремния при использовании

в качестве диэлектрика в конденсаторе тонкого слоя БЮг > полу-

ченного термическим окислением кремния (граница раздела Si—S1O2

характеризуется довольно низкой плотностью поверхностных состо-

яний) [170]. Первым же типом полевых транзисторов, созданных в

1953 г. в Bell Laboratories, были полевые транзисторы с управляющим

р-п-переходом [171]. В 1966 г. в связи с освоением новых материалов

240

Гл. 4. Полевые транзисторы

(GaAs) и невозможностью получения стабильного окисла на их по-

верхности Мид [172] предложил и реализовал еще одну конструкцию

транзистора — полевой транзистор с барьером Шоттки.

исток

затвор

р-Si

сток

VTLn

Si0

исток затвор

сток

изолятор

исток затвор сток

Рис. 4,1. Конструкции полевых транзисторов: а — с изолированным затвором и

структурой металл-окисел-йолупроводник, б — с затвором на основе барьера

Шоттки, в — с затвором на основе р-п-перехода. Заполненные крестиками

области на рис. бив указывают положение областей пространственного заряда

В настоящее время существуют три основных типа полевых

транзисторов, отличающиеся способом создания затвора и мето-

дом его изоляции от проводящего канала. Это:

1) полевые транзисторы с изолированным затвором, имеющие

структуру металл-окисел-полупроводник (МОП) или металл-

диэлектрик-полупроводник (МДП),

2) полевые транзисторы с барьером Шоттки и

3) полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом.

Устройство этих транзисторов схематически показано на рис. 4.1.

Полевые транзисторы — наиболее распространенный сегодня

класс транзисторов. На основе кремниевых МОП-транзисторов

в настоящее время создаются наиболее сложные интегральные

схемы: микропроцессоры, цифровые сигнальные процессоры, за-

поминающие устройства ЭВМ. Полевые транзисторы с барьером

Шоттки на основе полупроводников группы используют-

ся для создания низкошумящих и мощных усилителей в СВЧ

технике. Полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом

используются в радиоэлектронике в качестве низкошумящих

усилителей с высоким входным сопротивлением, электронных

ключей, стабилизаторов тока и как резисторы, управляемые на-

пряжением.

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором

241

4.1. Полевые транзисторы с изолированным

затвором

Чтобы определить основные понятия и установить законо-

мерности эффекта поля, рассмотрим сначала так называемый

МОП-конденсатор — конденсатор, созданный на поверхности

полупроводника, обкладками которого являются полупроводник

и металлический электрод, разделенные диэлектрическим слоем

из собственного окисла полупроводника.

4.1.1. МОП-конденсатор. На рис. 4.2 показаны энергети-

ческие диаграммы идеального МОП-конденсатора (в котором мы

пренебрегли существованием электрических зарядов на поверх-

ности полупроводника и в диэлектрике) при различных значени-

ях поданного на металлический электрод потенциала. Рассмот-

рим их сначала на качественном уровне.

Режим плоских зон, который будет служить нам «точкой

отсчета», отвечает той ситуации, когда электрическое поле в при-

поверхностном слое полупроводника равно нулю (см. рис. 4,2 а).

Как мы знаем, полупроводник и металл имеют разные рабо-

ты выхода, и поэтому напряжение

которое надо подать на

металлический электрод для реализации режима плоских зон,

отлично от нуля; это напряжение мы будем называть потен-

циалом плоских зон V

*). Если на металлический электрод

подать более высокий (положительный) потенциал по сравнению

с V

, то создаваемое электродом электрическое поле проникает

в полупроводник и начинает притягивать к поверхности элек-

троны и отталкивать дырки. Возникающее при этом изменение

концентраций подвижных носителей экранирует электрическое

поле и порождает в полупроводнике приповерхностный изгиб

зон (рис. 4.26). Если исходный полупроводник имеет р-тип про-

водимости (как показано на рис. 4.2), то концентрация основ-

ных носителей вблизи поверхности уменьшается и говорят, что

') В идеальном МОП-конденсаторе напряжение плоских зон определяется

разностью работ выхода полупроводника и металла. Поэтому, подбирая металл

и уровень легирования полупроводника, можно направленно изменять V

В настоящее время при создании МОП-транзисторов вместо металла широко

используется поликристаллический кремний {поликремний). Легируя его до-

норами или акцепторами, можно изменять его работу выхода в пределах 4,15-

5,25 эВ. В реальном МОП-конденсаторе из-за наличия встроенного заряда

в окисле и поверхностных состояний величина V

может заметно отличаться

от V,» в идеальном случае (см. подробнее текст, набранный мелким шрифтом

на с. 247).