Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

232	Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

За время включения тиристора обычно принимают величину, равную среднему геометрическому из указанных величин, то есть £в кл = 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 времени, чем его включение. Чтобы выключить тиристор, на его анод обычно подают отрицательное напряжение. Кинетика выключения тиристора является достаточно сложной [160, 162J, причем из-за сохранения локальной электронейтральности кинетика изменения концентраций электронов и дырок должна анализироваться совместно.

Д п , Д р , Ю10, см

10 I-

5 -

О

х

а

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 отрицательного 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 н а рис. 3.10 а).	Протекающий

через тиристор ток отрицательной полярности вызывает экстрак-

цию носителей из баз транзисторов n l и	р2 переходами р 1 -
n l 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 n l , то	первым	закрывается
переход	р2-п2	(момент	tg	н а рис. 3.10а).	На этом	завершается

3.1. Тиристоры

233

первый этап выключения тиристора. Дальнейшая кинетика зависит 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			n l
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 уменьшаться. Завершением второго этапа принято считать момент, когда ток анода упадет до величины /у д . Поскольку второй этап намного продолжительнее первого этапа, характерное время выключения тиристора можно оценить по формуле

£выкл ~ Тр 1п

,

(3.12)

где /прям — ток, протекавший в прямом направлении,	/у д —
ток удержания, а гр — время жизни дырок в базе n l .	Харак-

терные значения времени выключения составляют 10-200 мкс; для уменьшения времени жизни и ускорения выключения базу тиристора легируют золотом, платиной, а также облучают тиристоры 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 напряжение положительной полярности можно подавать на тиристор только после истечения некоторого времени, называемого коммутационным временем выключения tq. Для грубой оценки этой величины можно использовать формулу tq ^ 10тр [162]. Максимальная 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 пропускания 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 n l
ослабляется инжекция дырок		переходом	p l - n l .	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 n l , смещенным в обратном направлении переходом		n l - p 2 .
На этом этапе ток катода уже равен нулю, а ток	управляющего
электрода и ток анода быстро спадают во времени.

Фототиристоры. Для увеличения скорости включения тиристоров была разработана специальная модификация конструкции тиристора — фототиристор. В этой конструкции необходимые для открывания тиристора носители создаются светом. Максимум спектральной чувствительности кремниевых фототиристоров лежит около X = 950 нм, что соответствует максимуму 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 одновременно открывают их. Поэтому при высоких интенсивностях света tBKn в фототиристорах может измеряться десятками наносекунд (против единиц и десятков микросекунд в обычной конструкции).

По данным фирмы Siemens, импульс света мощностью 40 мВт производит эффект, эквивалентный воздействию импульса тока управляющего электрода, равного 50 А (для сравнения: средний ток управляющего электрода в силовых тиристорах составляет 3 А).

Оптическое управление тиристором особенно широко используется 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 (последовательное 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 оптотиристоры обладают повышенной помехоустойчивостью по сравнению с обычными тиристорами.

Отметим, что использование идеи фототиристора позволяет преодолеть еще одно серьезное техническое ограничение, существующее у мощных тиристоров: ограничение на скорость нарастания протекающего через прибор тока dl^jdt. Дело в том, что из-за конечного сопротивления области р2 переход тиристоров большой площади в открытое состояние обычно начинается вблизи вывода управляющего электрода и уже потом возбуждение распространяется на весь объем. Скорость поперечного распространения 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. Чтобы избежать этого, в приборах большой площади для увеличения скорости распространения возбуждения на поверхности структуры 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 включения основного тиристора [14, 160, 163]. Для ограничения скорости нарастания анодного тока последовательно с тиристором (как часть демпфирующей схемы) обычно включается катушка

индуктивности.

') Статистика показывает, что при правильной эксплуатации приборов деградация 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 напряжений, возникающих каждый раз после прохождения через тиристор импульса тока. Заметим, что перегрев активной области тиристора до 2 0 0 - 2 8 0 ° С может приводить к исчезновению запирающей способности тиристора как в прямом, так и в обратном направлениях.

236

Гл.3. Тиристоры и 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 фототиристор 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 Т32732500 (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	т р и а к о м ) Э т о т						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.	Вольт-амперная характери	рис, 3.11),			а		открывание
		прибора		может				осуществ-
	стика симистора
		ляться подачей на управ-
ляющии	электрод напряжения	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

1) По-английски triac — это сокращение от		trtode ас	switch (трехэлех-
тродный	коммутатор переменного тока). Первые	триакп	были изготовлены
в 1965 г,	[167].

			3.2. Многослойная				структура —		симистор	237
	через разные половины прибора. Для								G О	А1
	управленияструктурой				в ней		создается
	• дополнительная область n-типа (пЗ на								[пзГТ	п2 Т
	рис. 3.12). Для обеспечения						возможно-			р2
	сти открывания тиристора					обеими		по-		Til
	лярностями напряжения на управляю-
										р!
	щем электроде			вывод	этого		электрода
	- делается «закороченным».
		Пока жем,		что	предста вленная				А2
	' структура		позволяет		использовать			ее
	в	качестве	коммутатора			перемен но-			Рис. 3.12. Поперечное сече-
	го	тока.	Процессы,		приводящие			к	ние симистора (структуры с
	открыванию			прибора	при		четырех		шестью областями	разного
									типа проводимости и пятью
	возможных		комбинациях			полярностей
									р-n-переходами)

Напряжения, приложенных к симисто- ру и его управляющему электроду, показаны на рис. 3.13. Отсчет

всех напряжений будем проводить относительно электрода А1.

G 9 +

G 9 -

а

в

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

2 3 8 Гл. 3. Тиристоры и другие многослойные структуры

При подаче на электрод А2 и управляющий электрод G напряжений положительной полярности правая половина симистора работает как обычный тиристор. При этом левая половина прибора 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	n l , вызывая		открывание		перехода p l - n l и по-

следующий переход правого тиристора в открытое состояние. Если на электрод А2 симистора подать напряжение отрицательной полярности, то начинает работать левая половина прибора. Если при этом на управляющий электрод подано напряжение отрицательной полярности, то открывается переход р2—пЗ, инжектированные им электроны проникают в базу n l (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 отрицательной полярности напряжения на электроде А2, на электрод G подано напряжение положительной полярности, то открывается переход р2-п2 и инжектируемые в область базы n l электроны (пунктирная стрелка на рис.ЗЛЗг) по описанной выше схеме вызывают открывание левого тиристора. Следует иметь в виду, 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 изолированный от силовой части светодиод, добавленный в конструкцию прибора, пропускается импульс тока.

Примерами отечественных симисторов могут служить широко 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).

Г л а в а 4

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Класс приборов, называемых полевыми транзисторами» объединяет то, что работа этих приборов основана на использовании 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 представлял собой плоский конденсатор, одной из обкладок которого являлся тонкий слой полупроводника. При изменении напряжения на конденсаторе менялась величина наведенного электрическим полем заряда в полупроводнике и, следовательно, менялась и проводимость слоя. Это позволяло создать на основе этого эффекта прибор, в котором величина протекающего тока управлялась 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 наведенного 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 состояний) [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 поверхности Мид [172] предложил и реализовал еще одну конструкцию транзистора — полевой транзистор с барьером Шоттки.

исток	затвор	исток	затвор	сток
		сток

I

V T L n

р-Si Si02 изолятор

а

исток

затвор

сток

в

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. б и в указывают положение областей пространственного заряда

В настоящее время существуют три основных типа полевых транзисторов, отличающиеся способом создания затвора и методом 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, запоминающие 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 напряжением.

4.1. Полевые транзисторы с изолированным

затвором

241

4.1. Полевые транзисторы с изолированным затвором

Чтобы определить основные понятия и установить закономерности 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 энергетические диаграммы идеального МОП-конденсатора (в котором мы пренебрегли существованием электрических зарядов на поверхности полупроводника и в диэлектрике) при различных значениях поданного на металлический электрод потенциала. Рассмотрим их сначала на качественном уровне.

Режим плоских зон, который будет служить нам «точкой отсчета», отвечает той ситуации, когда электрическое поле в приповерхностном слое полупроводника равно нулю (см. рис. 4,2 а). Как мы знаем, полупроводник и металл имеют разные работы выхода, и поэтому напряжение V3, которое надо подать на металлический электрод для реализации режима плоских зон, отлично от нуля; это напряжение мы будем называть потенциалом плоских зон Vn3*). Если на металлический электрод подать более высокий (положительный) потенциал по сравнению с Va3, то создаваемое электродом электрическое поле проникает в полупроводник и начинает притягивать к поверхности электроны 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		VM .
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 Vni может заметно отличаться от V,» в идеальном случае (см. подробнее текст, набранный мелким шрифтом на с. 247).