Физика полупроводниковых приборов Книга 1 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
а на приборе показано минимальное удерживающее напряжение Vh. Участок
между точками 0 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.
Тиристоры
205
I
4.2.1. Режим обратного запирания
Напряжение пробоя. 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 J1 и J3 смещены в обратном
направлении, а переход J2 смещен в прямом (рис. 4, а). Если профиль
примеси такой, как на рис. 2, а, то большая часть приложенного напряжения
падает на переходе J1. В зависимости от толщины Wni слоя п\ пробой
вызывается лавинным умножением (толщина обедненной области при пробое
меньше №'п1) либо проколом (обедненный слой распространяется на всю
область л1, и происходит смыкание переходов J 1 и J 2).
Для несимметричного резкого р+-п-перехода на кремнии с сильнолегированной
областью р\ напряжение лавинного пробоя при комнатной температуре
описывается выражением, приведенным в гл. 2 17, 8]:
F5=5,34.10>3(iVfll)-0>76[B]> (1)
где Nni - концентрация примеси в области п\. Для плавного перехода
напряжение лавинного пробоя равно [7, 8]
У в = 9,17* 109аг-°'4 [В],
(2)
206
Г лава 4
Л
J2 JJ
п \ Г I
w"rwA
*4 ю'
5
I
5?
10'
1
"&•
CJ
<ч
"5
10 '
ю
Si
(300 К)
A* XN Лавинный. пробой
:-/у/ \\ О \Ч
-> \ / \Ч / s X
- / Л
~ / S /4
"¦ / / /Г /
t /Г ill/ [ I л /\ 1 ..j, ,1.
fo/J to* ю* 10,s
Концентрация примеси Afa, CM~J 5
Рис. 4. Режим обратного запирания тиристора. Линия лавинного пробоя
указывает максимально допустимое напряжение на слое п\ в зависимости от
концентрации примеси. Параллельные линии соответствуют проколу слон л1 в
зависимости от его ширины [9],
где а - градиент концентрации примеси, см 4. Напряжение прокола
несимметричного резкого перехода
я^п^п1
2е<
(3)
На рис. 4, б приведены основные ограничения режима обратного запирания
кремниевых тиристоров [9]. Например, для Wnl - = 160 мкм максимальное
напряжение пробоя не превышает 2000 В и соответствует NnX = 8,5* 1013 см-
3; для меньших концентраций напряжение пробоя снижается из-за прокола, а
при больших концентрациях падает из-за лавинного умножения.
В действительности напряжение обратного запирания меньше указанных
пределов вследствие того, что переход J1 связан с соседним переходом J2,
образуя р-п-/7-транзистор g разомкнутой базой, включенный по схеме 6
общим эмиттером; работа этого транзистора снижает напряжение пробоя.
Условия обратного пробоя для конфигурации о общим эмиттером соответствуют
Тиристоры
207
коэффициенту лавинного умножения М = 1/аь и напряжение пробоя описывается
формулой (гл. 3)
VB*=VV(l-ct1),/'\ (4)
где - коэффициент усиления транзистора по току в схеме 6 общей базой, VB
- напряжение лавинного пробоя р\-"1-перехода, п - постоянная, равная ~6
для р+-л-диодов и 4 для п-р-диодов. Поскольку выражение (1-ai)I/n <С 1,
напряжение обратного пробоя тиристора меньше VB. 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 аТ:
ax = уат ^ат= sech (W/LnX)f (5)
где Lnl-диффузионная длина дырок в области п\ и
W = Wnl[l-(y/VpTy*]. (6)
Для заданных значений Wni и Lnl отношение W/Lnl 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 обратного запирания для Wm
= 160 мкм и Lni - 150 мкм. Отметим, что напряжение Vbr приближается к VPT
при меньших концентрациях примеси в области "1. При возрастании
концентрации напряжение V в% всегда несколько ниже VB из-за конечной
величины WlLnl.
Нейтронное легирование [10]. Мощные высоковольтные тиристоры занимают
большую площадь; часто целиком вся пластина (диаметром 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 превращение части кремния в фосфор и
легирование кремния примесью п-типа:
