Зи - Физика полупроводниковых приборов том 1 (989591), страница 32
Текст из файла (страница 32)
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1. Она представляет собой четырехслойный р — п — р — л-прибор, содержащий трн последовательно соединенных р — а-перехода .11, Я2 и 13. Контакт к внешнему р-слою назван анодом, а кон такт к внешнему и-слою — катодом. В общем случае р — и — р — гг- Тиристоры прибор может иметь дза управляющих электрода (называемых также базами), подсоединенных к внутренним р- и п-слоям.
Прибор без управляющих электродов (рис. 1, б) работает как двухполюсник со структурой р — и — р — п и называется диодным тиристором (а также динистором и диодом Шокли). Прибор с одним управляющим электродом (рнс. 1, в) является трехполюсником и называется триодным тиристором или просто тиристором (также используют термин «полупроводниковый угравляемый вентиль» (ПУВ)). Типичный профиль легирующей примеси в диффузионносплавном приборе показан на рис. 2, а. В качестве исходного материала выбрана подложка п-типа. Лиффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р1 и р2. На заключительной стадии путем сплавления (нли диффузии) с одной стороны подложки создают слой п2. Поперечный разрез тиристора, предна значенного для работы с умеренными токами, приведен на рис.
2, 6 15). Медное основание в виде головки болта служит для отвода тепла. Вольт-амперная характеристика. тиристора (с управляющими электродами или без ннх), приведенная на рис. 3, имеет несколько различных участков. Участок характеристики между точками О н 1 соответствует закрытому состоянию (прямому запиранию) с очень высоким сопротивлением. Прямое переключение (или включение) тиристора происходит при выполнении условия дУ!Н = О (ему соответствуют напряжение включения Уа, Управляющий Упра3лякнций л. ллелтт1ааФ / .хлгтлтраву л' Рис, 1.
Схемы тиристора. и — основная четырехслойная л р — л — р — л-структура; а,— коэффициент усиления по току р — л — р-транзистора, а, — коэф- л фициент усиления по току л — р — л-транзистора. Прн нормальном смещении центральный переход обратно смещен и служит коллектором для р — л — рн л — р — л-транзисторов; б— диодный тиристор; в — триодный тиристор. Глава 4 204 1б ь~ 4вм 1Р 56 э 1~7г~ х=б' х=И' Серебр елки гг", Рис, 2.
Типичный профиль легирования (а). Наиболее важными параметрами являются концентрация примеси и ширина базы и). Разрез тиристора, предназначенного для переключения умеренных токов (б) (5). и ток включения 1, (рис. 3)). Между точками 1 и 2 находится участок характеристики о отрицательным сопротивлением; участок между точками 2 и д соответствует открытому состоянию (прямой проводимости). В точке 2, где снова д$'/й1 = О, через прибор протекает минимальный удерживающий ток 1„, а на приборе показано минимальное удерживак.щее напряжение К,. Участок между точками О и 4 описывает режим обратного запирания прибора, а участок между точками 4 и 5 — режим обратного пробоя.
Таким образом, тиристор в области прямых смещений является бистабильным элементом, способным переключаться из закрытого состояния с высоким сопротивлением и малым током в открытое состояние с низким сопротивлением и большим током и наоборот.
Ниже рассмотрены основные режимы работы тиристора. Тиристари Рис, 3. Вольт-амперная характеристика тиристора. 1/в = 5,34 ° 101з(Уа1) — о,та (В где У„х — конценграция примеси в области п1. Для плавного перехода напряжение лавинного пробоя равно [7, 8 ) Кв = 9,1? ° 10'а=о 4 1В), (2) 4.2.1. Режим обратного запирания Напряжение пробои.
Два основных фактора ограничивают напряжение обратного и прямого пробоя: лавинный пробой и прокол обедненной области. В режиме обратного запирания к аноду прибора приложено напряжение, отрицательное по отношению к катоду; переходы Л1 и ЮЗ смещены в обратном направлении, а переход Я2 смещен в прямом (рис. 4, а). Если профиль примеси такой, как на рис, 2, а, то большая часть приложенного напряжения падает на переходе Л1. В зависимости от толщины К„, слоя п1 пробой вызывается лавинным умножением (толщина обедненной области при пробое меньше %7„,) либо проколом (обедненный слой распро. страняется на всю область п1, и происходит смыкание переходов д1 и 32).
Для несимметричного резкого р' — п-перехода на кремнии с сильнолегированной областью р1 напряжение лавинного пробоя прн комнатной температуре описывается выражением, приведенным в гл. 2 17, 8): Глава 4 Рис. 4. Режим обратного запирания тиристора. Линия лавинного пробоя указывает максимально допустимое напряжение на слое п! в зависимости от концентрации примеси. Параллельные линии соответствугот проколу слон п1 в зависимости от его ширины [9], г с~ ~с лт уд ~рМ 1~~е Л~~е Хвнцентрация примеси Iур, см-~ Е где а — градиент концентрации примеси, см '. Напряжение прокола несимметричного резкого перехода АУ й~ кгг— На рис. 4, б приведены основные ограничения режима обратного запирания кремниевых тиристоров 191.
Например, для К„т = = 160 мкм максимальное напряжение пробоя не превышает 2000 В и соответствует Ь'„, = 8,5.10'» см '; для меньших концентраций напряжение пробоя снижается из-за прокола, а при больших концентрациях падает из-за лавинного умножения. В дейатвительности напряжение обратного запирания меньше указанных пределов вследствие того, что переход 11 связан с соседним переходом 12, образуя р — и — р-транзистор с разомкнутой базой„включенный по схеме е общим эмиттером; работа этого транзистора снижает напряжение пробоя. Условия обратного пробоя для конфигурации о общим эмиттером соответствуют Тиристоры 20У коэффициенту лавинного умножения М = 1/а1, и напряжение пробоя описывается формулой (гл. 3) 1'вя = ~в (1 — а,)'~", (4) где а1 — коэффициент усиления транзистора по току в схеме а общей базой, Рв — напряжение лавинного пробоя р1 — и1- перехода, и — постоянная, равыая 6для р+ — и-диодов и 4 для и — р-диодов.
Поскольку выражение (1 — а1)'1" ( 1, напряжение обратного пробоя тиристора меньше Ув. В большинстве практических случаев коэффициент инжекции транзистора у = 1, так как область р2 сильно легирована. Следовательно, коэффициент усиления по току равен коэффициенту переноса по базе аг. а, = айаг= аг — — веса(Т/Ь„,), (5) где Е„1 — диффузионная длина дырок в области и1 и К = Ю,(1 — (1//и,РЧ. (6) Для заданных значений ЯГ„1 и Л„1 отношение ВЯ.„1 уменьшается с ростом напряжения обратного смещения.
Следовательно, вклад коэффициента переноса по базе в общее усиление становится более весомым по мере приближения напряжения к пределу; обусловленному проколом. На рис. 4, б показан (штриховой линией) пример снижения напряжения ооратного запирапия для ЯГ„, = 160 мкм и Е„1 =- 150 мкм. Отметим, что напряжение 1'вя приближается к Ург при меньших концентрациях примеси в области и1. При возрастании концентрации напряжение $~вя всегда несколько ниже Рв из-за конечной величины 1Г/1.„1.
Нейтронное легирование [10]. Мощные высоковольтные тиристоры занимают большую плошадь; часто целиком вся пластина (диаме1ром 100 мм и более) служит подложкой одного прибора. Такие размеры предъявляют очень жесткие требования к однородности исходного материала. Для снижения разброса удельного сопротивления и повышения однородности распределения легирующих примесей применяют способ нейтронного облучения. Обычно используют кремниевые пластины со средним удельным сопротивлением, значительно большим по величине, чем требуется. Затем пластина облучается тепловыми нейтронами. В результате происходят превращенре части кремния в фосфор и легирование кремния примесью и-типа: 5114+ Нейтрон 5114+ "/-Излучение —,„- РД+ р-излучение. Период полураспада составляет 2,62 ч.
Поскольку глубина проникновения нейтронов в кремний равна 100 см, примесь распределяется по пластине очень равномерно. На рис. 5 приведены распределения продольного макроскопического удельного сопротивления кремния, легированного обычным способом и нейтрон- Глава 4 208 Рис. 5, Типичное продольное распределение удельного сопротивления в кремнии, легированном обычным способом (а) и нейтронла ным облучением (б) [111, б т7 'в ц' РаРиис а 1ВВ 1Ы ~~ 11а ~т 4а Я Л7 1б РаРиуа в у Гв ув ~д Ра Виуа б ным облучением 1111.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
