Структуре транзистора

В точке г напряжение и ток соответствуют напряжению в открытом состоянии тиристора t/OT1(p и току удержания /уд в открытом состоянии (при котором ai + a2=l). В этом режиме напряжение на структуре тиристора складывается из трех напряжений: напряжений прямо включенных эмиттерных переходов (7,i и иэ%, а также коллекторного напряжения ?/кб условных транзисторов, находящихся в насыщении. Следует обратить внимание на то, что в р>ежиме насыщения ?/Кб меняет свой знак относительно напряжения, питающего коллекторную цепь, т. е. ?/Кб>0, а напряжения на эмиттер-ных переходах возрастают в такой мере, что t/a = t/3i + U3y.—t/кб-Ei таком состоянии тиристор обладает очень малым сопротивлением (как два прямо включенных выпрямительных диода — участок г—д 6.2.), а его ток ограничивается сопротивлением резистора.

тронов по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода (5.1). Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме и-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в /г-базу. Инжектированные дырки диффундируют к коллекторному переходу, втягиваются полем коллекторного перехода и попадают в р-базу. Дальнейшему их продвижению по структуре тиристора препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. Таким образом, в структуре тиристора

Типовая р-п-р-п структура тиристора с геометрическими размерами представлена на 3.1, а; исходное распределение акцепторной Л^ли донорной Л^д примесей в типовой структуре тиристора представлено на 3.1, б.

3.34. Перемещение носителей заряда в структуре тиристора (эффект du/dt)

В момент t\ избыточная концентрация электронов у перехода ПЗ уменьшается до нуля, формируется ОПЗ, а переход ПЗ смещается в обратном направлении. В типовой структуре тиристора (см. 3.5, а) концентрация примесей по обе стороны перехода ПЗ достаточно высокая, переход ПЗ пробивается уже при напряжениях в несколько вольт. Обратный ток через структуру уменьшается:

Прежде всего амплитуда тока управления оказывает влияние на площадь области начального включения. Степень этого влияния определяется конструкцией УЭ, его расположением в структуре тиристора и геометрией самой структуры. В табл. 3.1 для отечественных тиристо-

В точке г напряжение и ток соответствуют напряжению в открытом состоянии тиристора ?/откр и току удержания /уд в открытом состоянии (при котором щ + а2 = 1). В этом режиме напряжение на структуре тиристора складывается из трех напряжений: на-

акцепторная примесь, в результате которой создается анодная р+-об-ласть и области тонкой (р-тип проводимости) и широкой (л-тип) базы. Затем методом локальной диффузии создают катодные л+-слои и формируется соответствующая геометрия р-базы. Рассматриваемая структура содержит распределенную шунтировку катодного р-л-перехода в основной структуре тиристора. Обычно шунты представляют собой ло-

Для переключения структуры тиристора из закрытого состояния в открытое используется световой сигнал, передаваемый по световолокон-ному кабелю. Такой принцип управления характерен для высоковольтных приборов с рабочими напряжениями более 5 кВ. Освещение р-базы крайней ячейки квантами света вызывает генерацию электронов и дырок повышенной концентрации. При этом понижается потенциальный барьер в центральном переходе и данная часть структуры переходит в открытое состояние, отпирая в свою очередь многоканальную структуру вспомогательного тиристора (Auxiliary Thynstor). Силовой ток вспомогательной структуры одновременно является управляющим током для основной части прибора, обеспечивая достаточно равномерное и быстрое ее включение. Основные стадии переходного процесса включения будут подробно рассмотрены в соответствующих разделах книги, посвященных вопросам применения тиристорных ключей. Здесь же заметим, что в зависимости от характера нагрузки и уровня переключаемого тока в структуре тиристора реализуются два основных режима. Один из них соответствует высокому уровню инжекции в узкой р-базе, а другой соответственно низкому. Широкая л-база тиристора выполняется, как правило, наиболее высокоомной, и в ней практически всегда реализуется высокий уровень инжекции, характерный для силовых переключателей. Наиболее просто механизм действия положительной обратной связи может быть продемонстрирован на основе двухтранзисторного аналога рассматриваемой структуры, показанного на 2.47. В такой модели коллекторный ток каждого из транзисторов одновременно является базовым током другого. Переключение структуры тиристора в проводящее состояние происходит при выполнении условия, при котором сумма коэффициентов передачи токов транзисторов от эмиттера к коллектору становится равной

нескомпенсированного заряда, воспринимающая внешнее напряжение. Расширение этой области сопровождается дальнейшим уходом избыточных дырок и электронов из базовых слоев тиристора. Таким образом, накопленный в структуре тиристора заряд неосновных носителей выводится отрицательным анодным током, что в целом улучшает динамические характеристики выключения. Наилучшим быстродействием обладаюттирис-торные структуры, у которых нескомпенсированный заряд первым образуется у высоковольтного анодного перехода. Это достигается снижением уровня легированности р-базы и специальной геометрией структуры. Если первым восстанавливается катодный переход, то его пробой способен вызвать дополнительную генерацию носителей и ухудшить динамику выключения.

п-р-п- и р-п-р-проводммостм, показанным в структуре ячейки. Соединение данных транзисторов соответствует четырехслойной р-п-р-п-структуре тиристора ( 2.66). При подаче отрицательного напряжения во входную цепь управляющих транзисторов происходит включение р-канального транзистора. Так как отсутствует эффективная шун-тировка эмиттерного перехода верхнего транзистора, в р-л-р-п-струк-туре развивается регенеративный процесс, приводящий к полному отпиранию структуры МСТ. Реализация режима высокого уровня инжек-ции в обеих базах обеспечивает возможность переключения тока повышенной плотности (около 10000 А/см2). Открытое состояние структуры МСТ будет сохраняться до тех пор, пока либо не изменится направление анодного тока, либо не произойдет включение запирающего п-ка-нального МДП-транзистора. Его включение обеспечивается положительным смещением во входной управляющей цепи. Чем аыше это напряжение, тем большую амплитуду анодного тока может выключить управляющий транзистор, осуществляя закорачивание эмиттерного перехода верхнего р-л-р-транзистора. Чтобы обеспечить надежное выключение МСТ, требуется решить целый комплекс конструкторско-тех-нологических задач. Запирающий МДП-транзистор должен выдерживать полную амплитуду анодного тока тиристора, пусть даже в кратковременном режиме. Это возможно только при условии одновременного выключения всех элементарных ячеек структуры тиристора. Поэтому увеличение числа однородных структурообразующих ячеек на заданной площади кристалла — одна из главных проблем Равномерному выключению структуры способствует также оптимизация геометрических

Чтобы предотвратить падение Коэффициента передачи тока при больших значениях тока, необходимо' увеличить периметр области эмиттера и уменьшить сопротивление базы. Это достигается в гребенчатой структуре транзистора ( 1.4). Подобную структуру имеют мощные и СВЧ транзисторы (как дискретные, так и интегральные).

Поскольку эффективность работы эмиттера пропорциональна концентрации примесей в его области, а в горизонтальной структуре транзистора наиболее легированная часть эмиттера, а также минимальная ширина базы находятся вблизи поверхности, большая часть носителей, достигающая коллектора, сконцентрирована вблизи поверхности. Вследствие этого при работе в микрорежимах, когда значение поверхностной рекомбинации носителей заряда особенно велико, происходит более резкое снижение коэффициента усиления, чем в обычных вертикальных транзисторах.

Важнейшие параметры рассмотренных типов интегральных диодов, формируемых на структуре транзистора ИМС, приведены в табл. 2.2.

Вертикальные п — р — п транзисторы получают в результате нескольких последовательных диффузионных процессов. Распределение примесей в структуре транзистора называют концент-

С целью повышения пробивного напряжения применяется расширенный базовый контакт. В структуре транзистора ( 2.10) высокоэмная область коллектора у р — п перехода под действием обратного напряжения t/кв обедняется. Отрицательное напряжение на базовом контакте компенсирует действие положительного заряда поверхностных состояний, и у р — п перехода создается расширенная область объемного заряда.

В структуре транзистора, изолированного р-п переходом, помимо основного п-р-п существует паразитный р-п-р транзистор. Его эмиттер — базовый слой 5 (13) основного транзистора (см. 3.1), база— коллекторная область 2 со скрытым слоем 3, а коллектор — подложка.

Необходимо отметить, что отсутствие дефектов в структуре транзистора не гарантирует от возникновения вторичного пробоя. Так, базовая область под p-n-переходом может быть не эквипотенциальна из-за прохождения базовых токов. При различных направлениях тока базы наблюдается увеличение плотности тока эмиттера либо по периферии эмиттерного перехода, либо в центре перехода. Этот эффект может также создавать предпосылки для развития процессов шнурования тока.

Рассмотрим работу этого прибора на его модели, эквивалентной структуре транзистора при сечении кристалла по диаметру кольцеобразных электродов. Схема включения такой модели показана на 15-3, б.

В структуре транзистора можно выделить активную область базы, лежащую под эмиттером, где поток неосновных носителей практически одномерный и где протекают основные процессы токопереноса. В пассивной и периферийной областях базы П1 и П2 имеют место краевые эффекты, которые учитываются дополнительно.

Рассмотрим работу этого прибора на его модели, эквивалентной структуре транзистора при сечении кристалла по диаметру кольцеобразных электродов. Схема включения такой модели показана на 15-3, б.

В табл. 2.2 приведены важнейшие параметры перечисленных типов интегральных диодов, формируемых на структуре транзистора