Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением . 1 1
1.1. Приборы и структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Негатроника. 12
1.2. Современные полупроводниковые приборы тиристорного типа. 21
1.3. Свойства симисторных структур. 32
1.4. Влияние температуры окружающей среды на свойства полупроводниковых приборов . 42
1.5. Постановка задачи. 46
Глава 2. Моделирование полупроводниковых симисторных структур . 47
2.1. Статическая выходная характеристика симисторной структуры. 48
2.2. Математическое моделирование динамических выходных параметров симисторной структуры . 54
2.3. Статическая входная характеристика симисторной структуры. 60
2.4. Зависимость коэффициентов передачи от тока. 65
2.5. Учет влияния температуры на параметры полупроводниковых приборов. 69
2.6. Схемотехническое моделирование статических характеристик симисторной структуры с гальваническим управлением . 73
2.7. Выводы. 79
Глава 3. Взаимосвязь и температурные свойства входных и выходных характеристик планарно-диффузионной структуры симистора . 81
3.1. Методика эксперимента и оценка погрешностей. 81
3.2. Исследование выходных статических характеристик. 8о
3.3. Исследование динамических характеристик. 96
3.4. Исследование вводных статических характеристик . 103
3.5. Выводы. 117
Заключение
Список литературы 122
Приложения
- Влияние температуры окружающей среды на свойства полупроводниковых приборов
- Математическое моделирование динамических выходных параметров симисторной структуры
- Схемотехническое моделирование статических характеристик симисторной структуры с гальваническим управлением
- Исследование вводных статических характеристик
Введение к работе
Многослойные полупроводниковые структуры с тремя и более р-л-переходами обладают рядом уникальных свойств, обусловленных возможностью возникновения в таких структурах положительной обратной связи. Это стимулирует поиск новых конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных микроэлектронных устройств на их основе. В настоящее время приборы функциональной микроэлектроники различного уровня мощности находят широкое применение в переключающих устройствах, средствах телекоммуникации и управления, устройствах отображения и преобразования информации, слаботочной и мощной автоматики из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности.
Как следствие "встроенной" положительной обратной связи, на вольтамперных (статических и/или динамических) характеристиках многослойных полупроводниковых приборов появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС). Изучению проблем возникновения отрицательного дифференциального сопротивления, а также вопросам разработки, моделирования и исследования приборов с ОДС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов, таких, как А.А.Лебедев, С.А.Гаряинов, В.И.Стафеев, Л.Н.Степанова, Н.А.Филинюк, В.П.Дьяконов, И.Д.Абезгауз, В.Е.Челноков, В.А.Кузьмин, Ю.А.Евсеев, А.Блихер, П.Тейлор, В.Герлах, и многих других. Эти работы послужили причиной возникновения нового направления в электронике — негатроники. В настоящее время основные вопросы теории известных приборов с ОДС, касающиеся их свойств, физических процессов, принципа действия, а также их применения в различных узлах электронной техники по большей чг'оти решены. Однако некоторые следствия положительной обратной связи в многослойных структурах, такие, как дуальность, наличие двух и более стабильных состояний на вольтампорпой характеристике (ВАХ) приборов вызывают огромный интерес у исследователей и по настоящее время остаются недостаточно изученными.
В зависимости от вида положительной обратной связи (по напряжению или току) полупроводниковые приборы с ОДС делятся на два класса. К первому относятся приборы с .S-образной ВАХ, однозначные по току. Ко второму классу относятся приборы с /V-образной ВАХ, однозначные по напряжению. Такие приборы принято считать дуальными. Дуальность 5"- и N-приборов проявляется в подобии их ВАХ и эквивалентных схем замещения, в связи с чем они представляют собой целый класс приборов — негатронов, обладающих подобными свойствами и подчиняющихся одним и тем же принципам разработки, моделирования и исследования.
Наиболее распространенными двух- и трехэлектродными полупроводниковыми приборами с ОДС 5-типа являются динисторы, тиристоры и симисторы. Одним из механизмов формирования участка ОДС в них является лавинное умножение носителей заряда в результате ударной ионизации в сильном электрическом поле р-п-переходов. Такие приборы имеют многослойную структуру, содержащую три или четыре /?-гс-перехода, а также гальваническое, полевое или оптоэлектронное управление параметрами ВАХ. Развитие полупроводниковых приборов с ВАХ 5-типа идет преимущественно по пути улучшения значении отдельных параметров, в частности, увеличения рабочих токов, снижения остаточных напряжений в открытом состоянии, увеличения быстродействия. Также ведутся разработки приборов тиристорного типа с оптическим, электростатическим и магнитополевым управлением. При этом большое внимание уделяется созданию мощных управляемых тиристоров и симисторов для использования в цепях постоянного и переменного тока. Следует отметить, что значительно меньшее внимание уделяется задачам разработки, моделирования и исследования слаботочных приборов на основе полупроводниковых структур тиристоров и симисторов. В основном такие приборы обладают планарной структурой, и, как следствие, простотой управления параметрами ВАХ с помощью электрического и магнитного полей и светового воздействия, сравнительно зысоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, что значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет упростить многие схемотехнические решения.
Массогабаритные показатели и функциональные свойства планарных симисторов малой и средней мощности также во многом определяют широкие перспективы их применения в качестве различных полевых и оптоэлектронных датчиков переменного тока в цепях слаботочной автоматики и бытовой техники.
Тиристорные и симисторные структуры с гальваническим управлением традиционно относят к приборам с ^-образной вольтамперной характеристикой. В то же время эти приборы являются дуальными по отношению их выхода ко входу, так как, помимо выходной ВАХ 5-типа, обладают входной ВАХ /V-типа. При этом, если, например, для тиристора выходной цепью является цепь анод-катод, то входной цепью будет цепь катод-управляющий электрод. Тогда при появлении напряжения в выходной цепи на входной ВАХ возможно образование участка с ОДС, причем относительная простота в управлении параметрами этой входной характеристики N-типа позволяет использовать входную цепь прибора в качестве управляемого эквивалента туннельного диода. Возникновение входной ВАХ yV-типа и наличие участка с ОДС на выходной ВАХ оказываются взаимно связанными и взаимно обусловленными. Соответственно, /V-образность входной вольтамперной характеристики оказывается столь же неотъемлемым свойством тиристорных и симисторных структур с гальваническим управлением, как и 5-образность выходной ВАХ. Однако когда исследование и применение свойств выходной характеристики имеет весьма широкие области, входная характеристика, ее свойства и взаимосвязь с выходной характеристикой остаются практически не изученными.
При всестороннем исследовании свойств полупроводниковой структуры возникает вопрос об устойчивости и стабильности тех или иных ее характеристик. Свойства полупроводниковых приборов оказываются сильно зависимыми от температуры окружающей среды. Изменение температуры приводит к дрейфу параметров самого полупроводника и, как следствие, к изменению определяющих работу прибора величин, характеризующих р-я-переходы структуры. Особенно критичным изменение температуры является для ключевых приборов, в частности, симисторов. Существуют определенные методы стабилизации и компенсации нежелательных изменений параметров полупроводниковой структуры, однако,
8 проводимые в этом направлении исследования ориентированы, в основном, на силовые приборы.
Таким образом, одной из актуальных на сегодняшний день задач функциональной полупроводниковой электроники является моделирование и исследование свойств входной и выходной вольтамперных характеристик интегральных симисторов малой и средней мощности, анализ взаимосвязи этих характеристик в широком интервале температур, а также вопросы температурной стабилизации характеристик.
Для достижения указанной цели:
В первой главе рассмотрено исследовательское направление — негатроника, — связывающее все приборы с ОДС; приводится анализ основных типов и свойств полупроводниковых приборов с ОДС S-типа различного уровня мощности. Рассмотрены основные направления в развитии приборов тиристорного типа.
Во второй главе приведены аналитические соотношения, определяющие основные статические и динамические параметры симисторов малой и средней мощности. Разработана и исследована математическая модель входных параметров и характеристик симисторных структур. Произведен учет механизмов, определяющих температурный дрейф параметров полупроводниковых приборов. Представлена схемотехническая модель симистора, позволяющая получить входные вольтамперные характеристики с помощью пакета PSpice.
В третьей главе приведены результаты исследования выходных статических и динамических, а также входных статических характеристик ПДС. Произведен анализ процессов, устанавливающих однозначную взаимосвязь входных и выходных характеристик.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. В результате анализа физических процессов в і-.имисторной структуре показано, что появление участка с ОДС на полярно-чувсгвительной входной N-образной ВАХ обусловлено ее взаимосвязью с 5-образной выходной ВАХ.
2. Математические модели, описывающие основные статические и динамические параметры ПДС, дополнены соотношениями, позволяющими производить расчет напряжения переключения, остаточного напряжения, времен включения и выключения в широком интервале температур, и согласуются с экспериментальными данными.
Получены соотношения, позволяющие описать процесс формирования входной статической N-образной ВАХ симистора и произвести расчеты основных параметров указанной характеристики (напряжения пика, тока пика), согласующиеся с экспериментальными данными.
С помощью схемотехнической модели ПДС на основе четырехтранзисторной схемы замещения получены входные статические УУ-образные вольт-амперные характеристики.
Практическая ценность работы:
Полученные соотношения для выходных статических и динамических характеристик ПДС позволяют проводить инженерный расчет напряжения переключения, остаточного j напряжения, времен включения и выключения многослойных полупроводниковых структур симисторного типа малой и средней мощности при проектировании и использовании в конкретных узлах электронной аппаратуры с учетом температуры окружающей среды.
Полученные аналитические выражения, определяющие параметры входной /V-образные ВАХ, позволяют оценить влияние напряжения на силовых электродах ПДС, и температуры на входную харакгеристику.
Результаты исследования температурных характеристик ПДС с шунтированием эмиттерных переходов позволяют существенно расширить интервал рабочих температур прибора и оптимизировать величину шунтирующего сопротивления.
Результаты исследования свойств полярно-чувствительной входной N-образноі1 ВАХ позволяют расширить функциональные возможности структуры ПДС.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Существует однозначная взаимосвязь входных и выходных статических ВАХ симисторной структуры, при этом формирование /V-образной входной ВАХ обусловлено процессом включения-выключения симисторноі-. структуры.
Включение в математическую модель симисторнои структуры зависимостей, определяющих электрофизические свойства полупроводника (подвижность, время жизни, скорость генерации-рекомбинации) с учетом изменения температуры, позволяет описать изменения электрических параметров симисторнои структуры в широком диапазоне температур.
Соотношения, полученные на основе решения системы уравнений непрерывности для р-п-переходов симисторнои структуры, позволяют оценивать параметры N-образной входной статической В АХ.
Схемотехническая модель симистора на основе четырехтранзисторной схемы замещения позволяет получить полярно-чувствительные входные статические вольт-амперные характеристики УУ-типа.
По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 9 печатных работ.
Диссертационная раббта изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения и приложений, содержит 47 рисунков, 2 таблицы и список использованных литературных источников из 135 наименований.
Влияние температуры окружающей среды на свойства полупроводниковых приборов
Массогабаритные показатели и функциональные свойства планарных симисторов малой и средней мощности также во многом определяют широкие перспективы их применения в качестве различных полевых и оптоэлектронных датчиков переменного тока в цепях слаботочной автоматики и бытовой техники.
Тиристорные и симисторные структуры с гальваническим управлением традиционно относят к приборам с -образной вольтамперной характеристикой. В то же время эти приборы являются дуальными по отношению их выхода ко входу, так как, помимо выходной ВАХ 5-типа, обладают входной ВАХ /V-типа. При этом, если, например, для тиристора выходной цепью является цепь анод-катод, то входной цепью будет цепь катод-управляющий электрод. Тогда при появлении напряжения в выходной цепи на входной ВАХ возможно образование участка с ОДС, причем относительная простота в управлении параметрами этой входной характеристики N-типа позволяет использовать входную цепь прибора в качестве управляемого эквивалента туннельного диода. Возникновение входной ВАХ yV-типа и наличие участка с ОДС на выходной ВАХ оказываются взаимно связанными и взаимно обусловленными. Соответственно, /V-образность входной вольтамперной характеристики оказывается столь же неотъемлемым свойством тиристорных и симисторных структур с гальваническим управлением, как и 5-образность выходной ВАХ. Однако когда исследование и применение свойств выходной характеристики имеет весьма широкие области, входная характеристика, ее свойства и взаимосвязь с выходной характеристикой остаются практически не изученными.
При всестороннем исследовании свойств полупроводниковой структуры возникает вопрос об устойчивости и стабильности тех или иных ее характеристик. Свойства полупроводниковых приборов оказываются сильно зависимыми от температуры окружающей среды. Изменение температуры приводит к дрейфу параметров самого полупроводника и, как следствие, к изменению определяющих работу прибора величин, характеризующих р-я-переходы структуры. Особенно критичным изменение температуры является для ключевых приборов, в частности, симисторов. Существуют определенные методы стабилизации и компенсации нежелательных изменений параметров полупроводниковой структуры, однако, проводимые в этом направлении исследования ориентированы, в основном, на силовые приборы.
Таким образом, одной из актуальных на сегодняшний день задач функциональной полупроводниковой электроники является моделирование и исследование свойств входной и выходной вольтамперных характеристик интегральных симисторов малой и средней мощности, анализ взаимосвязи этих характеристик в широком интервале температур, а также вопросы температурной стабилизации характеристик. Для достижения указанной цели: В первой главе рассмотрено исследовательское направление — негатроника, — связывающее все приборы с ОДС; приводится анализ основных типов и свойств полупроводниковых приборов с ОДС S-типа различного уровня мощности. Рассмотрены основные направления в развитии приборов тиристорного типа. Во второй главе приведены аналитические соотношения, определяющие основные статические и динамические параметры симисторов малой и средней мощности. Разработана и исследована математическая модель входных параметров и характеристик симисторных структур. Произведен учет механизмов, определяющих температурный дрейф параметров полупроводниковых приборов. Представлена схемотехническая модель симистора, позволяющая получить входные вольтамперные характеристики с помощью пакета PSpice. В третьей главе приведены результаты исследования выходных статических и динамических, а также входных статических характеристик ПДС. Произведен анализ процессов, устанавливающих однозначную взаимосвязь входных и выходных характеристик. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. В результате анализа физических процессов в і-.имисторной структуре показано, что появление участка с ОДС на полярно-чувсгвительной входной N образной ВАХ обусловлено ее взаимосвязью с 5-образной выходной ВАХ. 2. Математические модели, описывающие основные статические и динамические параметры ПДС, дополнены соотношениями, позволяющими производить расчет напряжения переключения, остаточного напряжения, времен включения и выключения в широком интервале температур, и согласуются с экспериментальными данными. 3. Получены соотношения, позволяющие описать процесс формирования входной статической N-образной ВАХ симистора и произвести расчеты основных параметров указанной характеристики (напряжения пика, тока пика), согласующиеся с экспериментальными данными. 4. С помощью схемотехнической модели ПДС на основе четырехтранзисторной схемы замещения получены входные статические УУ-образные вольт-амперные характеристики. Практическая ценность работы: 1. Полученные соотношения для выходных статических и динамических характеристик ПДС позволяют проводить инженерный расчет напряжения переключения, остаточного j напряжения, времен включения и выключения многослойных полупроводниковых структур симисторного типа малой и средней мощности при проектировании и использовании в конкретных узлах электронной аппаратуры с учетом температуры окружающей среды. 2. Полученные аналитические выражения, определяющие параметры входной /V-образные ВАХ, позволяют оценить влияние напряжения на силовых электродах ПДС, и температуры на входную харакгеристику. 3. Результаты исследования температурных характеристик ПДС с шунтированием эмиттерных переходов позволяют существенно расширить интервал рабочих температур прибора и оптимизировать величину шунтирующего сопротивления.
Математическое моделирование динамических выходных параметров симисторной структуры
Все выше рассмотренные диоды с отрицательным сопротивлением предназначены для работы в диапазоне СВЧ и способны работать при относительно небольших значениях мощности сигнала и рабочих токах.
На низких частотах большое распространение получили четырехслойные полупроводниковые структуры типа р-п-р-п и их различные модификации, обладающие отрицательным сопротивлением [1-6, 13]. В основе их работы лежит тиристорный эффект, обусловленный лавинным умножением носителей в закрытом среднем -//-переходе, а также эффект заплывания [13, 35]. Наиболее широкое применение получили двухэлектродные (динисторы) и трехэлектродные (тиристоры) р-п-р-п-стр\"ктуры. Кроме того, известны тиристоры с управлением по двум входным цепям (тетристоры) и тиристоры с чувствительным и нечувствительным электродом [13]. Наиболее систематические исследования таких тиристорных негатронов проведены С.А. Гаряиновым и И.Д. Абезгаузом [13. 35]. Эти приборы могут работать в усилительном, генераторном и ключевом режимах. Для них характерна большая экономичность по питанию при работе в ключевом режиме, способность коммутировать сигналы большой мощности. Таким образом, теоретически они являются многофункциональными приборами, с помощью которых можно осуществлять широкую унификацию радиоэлектронных устройств. Однако практическая область их применения ограничивается, в основном, устройствами импульсной и силовой техники, что объясняется рядом характерных для них недостатков. К ним относятся: относительно довольно низкая температурная стабильность, повышенная неустойчивость коэффициента преобразования устройств к изменению отрицательного сопротивления, низкая экономичность по питанию при работе в линейном режиме, высокие питающие напряжения и малый частотный диапазон [1-6, 96].
Исследование эффекта лавинного умножения в коллекторном переходе биполярного транзистора привело к созданию лавинного транзистора, на ВАХ которого имеется участок отрицательного сопротивления [96]. Теоретические исследования таких негатронов и импульсных устройств на их основе, проведенные В.П.Дьяконовым [96], показали возможность формирования импульсов с временем нарастания 0,1-1 не и амплитудой до 15 В и более на сопротивлении нагрузки в 750 Ом. Некоторые транзисторы позволяют при меньшей амплитуде генерировать импульсы с частотой повторения до 1 ГГц, другие, при значительно меньших частотах повторения, способны формировать импульсы с амплитудой по напряжению до 100 В на нагрузке 50 Ом или импульсы с амплитудой по току до 50 А на сопротивлении нагрузки в 0,5-1 Ом. Наличие между эмиттером и коллектором лавинного транзистора индуктивного импеданса с отрицательной вещественной составляющей стало предпосылкой использования его в качестве высокодобротного полупроводникового аналога индуктивности [96]. Однако большие шумы таких негатронов, обусловленные лавинным эффектом, и низкая температурная стабильность сделали применение лавинных транзисторов в таком качестве бесперспективным [96].
Технологические методы создания пленарных полупроводниковых приборов достигли высокого совершенства. Поэтому негатроны на / /7-переходах могут обладать достаточно высокой надежностью и воспроизводимостью. Однако процесс их изготовления трудоемок, поскольку требует проведения от двух до четырех высокотемпературных процессов окисления и диффузии, и соответствующего количества процессов фотолитографии [96]. С этой точки зрения более интересны аморфные и поликристаллические полупроводниковые пленки, в которых наряду с отрицательным сопротивлением существует и переключение с памятью [13, 35]. При приложении к пленке определенного порогового напряжения она скачком переходит в низкоомное состояние и сохраняет его даже в случае отключения питания. Первое сообщение в 1969 г. о наблюдении отрицательного сопротивления в стеклообразных полупроводниках дало толчок к созданию различных негатронов на основе халькогенидных материалов [35]. Однако до сих пор физические механизмы возникновения ОДС в таких полупроводниках окончательно не изучены. Исследования в этом направлении активно ведутся в Азербайджанской научной школе под руководством профессора Ф.Д.Касимова, где в 1991 г. была проведена первая Всесоюзная научно-техническая конференция по негатронике [96].
Общим существенным недостатком всех выше рассмотренных, полупроводниковых негатронов является зависимость их отрицательного сопротивления от физических свойств полупроводниковых кристаллов и физических процессов в них [13, 34, 35, 67]. А стремление реализовать стопроцентную внутреннюю положительную обратную связь внутри кристалла накладывает жесткие требования к технологии изготовления таких негатронов, затрудняет производство идентичных приборов и дальнейшее их применение. Эти недостатки при создании транзисторных негатронов были частично преодолены путем реализации комбинированной стопроцентной положительной обратной связи: частично внутренней, за счет временной задержки неосновных носителей в базе транзистора; частично — за счет введения цепи внешней обратной связи [73]. Началом этого направления, следует считать 1956 г., когда Ямагучи исследовал негатрон на транзисторе с общим коллектором и индуктивной цепью обратной связи между базой и коллектором [96]. В дальнейшем были исследованы различные модификации такого негатрона, получившего наименование "индуктивный транзистор", так как он оказался перспективным в качестве полупроводникового аналога индуктивности. Следует отметить успешное применение этого негатрона в различных аналоговых СВЧ устройствах (активных фильтрах, генераторах, преобразователях частоты, мультиплексорах, активных антеннах и др.) [96].
Другим направлением негатроники, направленным на преодоление недостатков однокристальных полупроводниковых негатронов, является создание аналогов негатронов на базе различных схемотехнических комбинаций активных приборов [19, 36, 68, 71, 83, 87, 89]. Одной из первых работ в этом направлении следует считать монографию С.А.Гаряинова и И.Д.Абезгауза [13], опубликованную в 1970 г. Дальнейшее развитие это направление получило в широко известных работах Х.Стедлера, Л.Н.Степановой с соавторами [19], О.И.Негоденко, Нильсона и Уильсоиа и др. Развігтая в работах этих авторов теория синтеза аналогов статических негатронов Л - и 5-типа позволила создать большое количество различных схемотехнігческих решений для широкого класса как аналоговых, так и ключевых электронных устройств различного функционального назначения [36]. Их можно разделить на три группы. В первой группе объединяются транзисторные аналоги, состоящие из транзисторов одной структуры. Вторую группу составляют аналоги, выполненные на транзисторах разной структуры, но не составляющих эквивалентр-п-/?-/7-структуры. Третья группа состоит из транзисторных эквивалентов р-п-р-п-структуры. Использование в таких схемах перекрестных связей ограничивает их применение частотами до 1 ГГц.
В настоящее время негатроника сформировалась как научное направление, результаты исследований в котором получили широкое практическое применение. Это научное направление объединило ученых стран СНГ в международном координационном центре по проблеме "Негатроника", организованном в Винницком государственном техническом университете в 1986 г., в состав которого входят такие известные ученые, как профессора С.А.Гаряинов, В.П.Дьяконов, Л.И.Степанова, Ф.Д.Касимов. Н.А.Филинюк. Л.И.Биберман и др. [96].
Схемотехническое моделирование статических характеристик симисторной структуры с гальваническим управлением
Вертикальные структуры тиристоров за счет увеличения площади р-п-переходов могут пропускать значительные токи, а также работать на высоких напряжениях. Однако для площади /?-/7-переходов существует ограничение, связанное с конечной скоростью распространения включенного состояния, поскольку при подаче управляющего импульса включается лишь малая площадь, расположенная вблизи электрода управления, и требуется некоторое время для распространения плазмы [43, 44]. При выключении также требуется большее время для рассасывания заряда до некоторой критической величины, когда тиристор можно считать выключенным, поскольку емкость /р-и-переходов тиристора напрямую зависит от их площади. Таким образом, мощные тиристорные структуры обладают большими временами включения и выключения, и предпринимаются определенные конструкционные способы для оптимизации указанных параметров [1, 5, 6, 52]. Вертикальные тиристорные структуры малой и средней мощности, в основном, лишены этих недостатков.
Собственно, процесс распространения плазмы (или возбужденного состояния) находит применение в устройствах, основанных на явлении объемной связи [22, 25, 55]. В таких устройствах, как, например, нейристоры и сдвиговые регистры управляющим сигналом, передающимся от одной ячейки к следующей, является дрейф неравновесных (избыточных) носителей заряда по общей n-базе от активной, т.е. включенной, ячейки к выключенной. При этом каждая ячейка работает как дискретный тиристор. В устройствах с объемной связью применяются структуры малой и средней мощности [74, 77-79, 88].
Плоскостная (планарная) структура тиристора полоскового типа представлена на рис. 1.4. Она так же, как и вертикальная, содержит три р-я-перехода, которые получены диффузионными методами. Принимается, что в таких структурах ток протекает преимущественно в приповерхностном слое полупроводника, поскольку глубина легирования (-1-10 мкм) существенно меньше ширины диффузионных областей (-100-1000 мкм), поэтому применение планарных структур ограничено областью достаточно малых токов (до единиц А). Вместе с тем, когда активные области р-/7-переходов оказываются у поверхности, появляется возможность эффективно управлять структурой с помощью электростатического поля либо освещения. Оба эти подхода используются при создании приборов с гальванической развязкой входа и выхода [31, 60, 61].
Первый подход — это реализация биполярно-полевых структур, в частности, МДП-тиристора, объединяющего свойства и МДП-транзистора, и тиристора [1,6, 76, 82]. Достоинства такого прибора очевидны. В частности, возможность гальванической развязки управляющей и выходной цепи, большое входное сопротивление, повышенная нагрузочная способность, значительное упрощение структуры схем с его использованием за счет расширения функциональных возможностей, а также существенное расширение областей применения [1]. В настоящее время предлагаются различные конструктивные решения этой задачи [101-108]. При этом в большинстве своем разработки касаются мощных приборов с вертикальной структурой [102-104, 106. Ю8], которые характеризуются существенными технологическими сложностями при реализации затвора. Как показывает анализ литературы по вопросам проектирования приборов малой и средней мощности, наибольшая эффективность управления посредством электрического поля достигается в структурах с планарным расположением 0 диффузионных областей, что указывает на приоритетное развитие интегральных структур МДП-тиристоров малой и средней мощности. Второй подход к созданию З-приборов с гальванической развязкой — реализация структур, управляемых светом. Этот подход основан на эффекте генерации неосновных носителей заряда в базовой области тиристора посредством светового воздействия. Такой способ управления находит применение, в частности, в тиристорах, управляемых от внешнего по отношению к корпусу прибора источника света (фототиристоры) [21, 61], и в тиристорах, управляемых от источника, помещенного внутри корпуса прибора вблизи одной из базовых областей (тиристорные оптопары) [60]. Тиристорные оптопары преимущественно ф используются для коммутации силовых и высоковольтных цепей, причем в качестве фотоприемника применяются как вертикаїьньїе, так и планарные тиристорные структуры. Как и в случае МДП-приборов, развитие данного способа гальванической развязки показало, что оптимальными для этого структурами являются планарные по причине удобного расположения наиболее фоточувствительных областей по отношению к источнику света. Наряду с пленарными также разрабатываются и вертикальные структуры, которые обладают худшей фоточувствительностью и технологической сложностью изготовления из-за расположения фотоактивных областей внутри и на боковой поверхности прибора [60]. Несмотря на все достоинства тиристоров, они обладают существенным ф недостатком, который заключается в однонаправленном характере работы, что затрудняет их широкое применение в ряде областей электроники, базирующихся на обработке сигналов различной полярности. К числу таких областей можно отнести быстроразвивающиеся системы телекоммуникаций, средства отображения информации с плоскими экранами па основе электролюминесцентных пленочных структур (электролюминесцентных конденсаторов) [22]. а также различную бытовую технику. В связи с этим особую роль приобретает подкласс тиристоров с симметричными вольтамперными характеристиками — симисторы [1, 3, 4, 8J.
Исследование вводных статических характеристик
Как следует из вышесказанного, процессы включения и выключения во многом определяются условиями (током / и напряжением W) на управляющем электроде. Однако верно и обратное: процессы в цепи управляющего электрода зависят от уровня напряжения на аноде. Таким образом, тиристорная структура может также описываться характеристикой цепи катод-управляющий электрод, что, вообще говоря, и является входной характеристикой структуры.
Согласно теории положительной обратной связью, приборы, обладая выходной ВАХ S- или TV-типа, должны иметь входную ВАХ, дуальную выходной [13]. (Дуальными называются вольтамперные характеристики, которые при взаимном замещении осей токов и напряжений становятся аналогичны друг другу.) Это подтверждается исследованиями, в частности, /V-транзисторов, обладающими N-образньши выходными и -образными входными характеристиками [54, 69, 70]. Аналогичным свойством обладают тиристорные структуры: входная характеристика /V-типа дуальна выходной 5-типа [13, 14].
Таким образом, входная и выходная характеристики оказываются тесно и однозначно взаимосвязанными; обе характеристики присущи тиристору одновременно [94, 95]. Поскольку каждый процесс в одной цепи вызывает соответствующие изменения в другой, становится очевидным, что влияние внешних факторов на выходную характеристику должно отражаться и на входной, однако какие-либо данные по этому вопросу в литературе не обнаружены.
Для изучения взаимосвязи характеристик и влияния на них наиболее существенного внешнего фактора — температуры — следует рассмотреть процессы, происходящие в полупроводнике и полупроводниковых приборах при изменении температуры. где yVc Nv — эффективная плотность состояний в зоне проводимости в валентной зоне; к — постоянная Больцмана; Eg— ширина запрещенной зоны [9, 10].
Времена жизни носителей (электронов и дырок) в узкозонных материалах определяются вероятностью встречи данного носителя с носителем противоположного знака (рекомбинация типа «зона-зона»). В реальных кремниевых структурах основную роль играют процессы рекомбинации с участием примесей и структурных дефектов. При заданной концентрации ловушек определённого типа время жизни может быть очень разным, так как оно зависит также от уровня возбуждения и температуры [10, 37]. Физическая причина зависимости времени жизни от температуры состоит в следующем. В электронном полупроводнике с ростом температуры фононы всё больше деионизируют ловушки, «срывая» с них электроны. Доля занятых электронами ловушек уменьшается, затрудняется рекомбинация дырок, и результирующее время жизни растёт. В дырочном полупроводнике с ростом температуры фононы способствуют заполнению ловушек, переводя на них электроны из валентной зоны. Тем самым затрудняется рекомбинация свободных электронов, и время жизни увеличивается [7]. На практике время жизни носителей регулируется введением какого-либо примесного центра, например, атомов золота.
Удельная проводимость примесного полупроводника определяется следующим соотношением: где е — элементарный заряд; //„, //;, — подвижность электронов и дырок. Это выражение справедливо для всех случаев. При относительно низких температурах, когда можно пренебречь тепловой генерацией носителей, изменение удельной проводимости примесного полупроводника определяется изменением подвижности основных носителей заряда. С увеличением температуры подвижность носителей уменьшается. Это объясняется уменьшением средней длины свободного пробега носителей заряда между соударениями. Проводимость примесного полупроводника также уменьшается. Однако при относительно высоких температурах, когда начинает играть роль термогенерация электронов и дырок, несмотря на уменьшение подвижности носителей, увеличение температуры приводит к увеличению проводимости по экспоненциальному закону. При очень же низкой температуре ее дальнейшее понижение вызывает не увеличение, а уменьшение подвижности основных носителей, что зависит от некоторых особенностей их взаимодействия с ионизированными атомами примеси. Поэтому в области низких температур удельная проводимость примесного полупроводника при понижении температуры уменьшается [10].
В результате описанных изменений параметров полупроводника изменения испытывают и параметры полупроводниковых приборов.
Рассмотрим вольтамперные характеристики диодов. С увеличением температуры увеличиваются тепловой ток и термогенерации, а вместе с тем и обратный ток диода. Прямой ток диода с ростом температуры также растёт из-за увеличения теплового тока. Но при больших прямых токах основную роль начинает играть электропроводность полупроводниковых кристаллов (прежде всего, электропроводность базы), которая в интервале рабочих температур уменьшается с увеличением температуры, что приводит к снижению прямого тока. С повышением температуры увеличивается напряжение лавинного пробоя диодов, что связано с тепловым рассеянием подвижных носителей и сокращением средней длины свободного пробега в /?-я-переходе [9].
Диапазон рабочих температур транзисторов так же, как и диодов, определяется температурными свойствами / /?-переходов. С изменением температуры изменяются все параметры транзистора. Но особенно сильно изменяется неуправляемый ток коллекторного перехода, что приводит к смещению коллекторных характеристик в область больших токов. При увеличении температуры сдвигаются в область больших токов входные характеристики транзистора. Это вызывает рост постоянной составляющей тока эмиттера. С увеличением температуры также увеличивается время жизни носителей, поэтому коэффициент усиления в схеме с ОБ а становится несколько больше, что приводит к существенному изменению коэффициента усиления в схеме с ОЭ h2ij. С изменением температуры меняются дифференциальные сопротивления эмиттер ного и коллекторного переходов и сопротивление базы [7].
Процессы, происходящие в тиристорной структуре, определяются коэффициентами усиления составляющих транзисторов и, соответственно, характером зависимости их от температуры. Рост а„ и ар в функции от тока может быть объяснен насыщением рекомбинашюнных центров (ловушек) в базовых областях с ростом тока, а также возрастанием коэффициентов инжекции эмиттерных переходов. Эти процессы «привязаны» к температуре. Поэтому характеристики приборов тиристорного типа обладают определенным температурным дрейфом [7, 12, 42].
Особенно критичным для тиристоров и симисторов являются высокие температуры, когда без участи управляющего тока происходит постепенное спрямление прямой ветви выходной ВАХ. При сравнительно высоких температурах (90-110С) в режиме длительного ожидания (десятки часов) наблюдается так называемое самопроизвольное включение [46]. Это связано, скорее всего, с образованием локальных микропробоев из-за повышенной вероятности лавинообразования при таких температурах [1, 5, 6]. В диапазоне низких температур (77-173 К) обнаруживается значительное увеличение максимума контролируемой плотности тока, снижение энергетических потерь при переключении, уменьшение времени выключения и остаточного напряжения [33].
