Лекции по „Основи електроніки та електротехніки”

Тонкий поверхневий  канал для струму основних носіїв заряду між витоком і стоком в МОН-транзисторі з вбудованим каналом (рис. 1.22, а) створюється штучно або виникає природно в результаті контактних явищ на межі напівпровідника з діелектриком. Тип провідності каналу збігається з типом провідності витоку і стоку. За наявності напруги між витоком і стоком струм у колі стоку (каналу) I_D буде протікати навіть при нульовому зміщенні на затворі U_GS=0 (див. стокзатворну та вихідну вольт-амперні  характеристики, рис. 1.23, а, б). Якщо до затвору відносно витоку і підкладки прикласти від'ємну напругу, то дірки з підкладки втягуватимуться в канал, а електрони виштовхуватимуться. Провідність каналу, що позбавлений частини основних носіїв, зменшується, в результаті чого знижується струм стоку (режим збіднення). За U_GS = U_GS0 природний канал зникає, і струм стоку дорівнює нулю (рис. 1.23, а). Позитивне зміщення на затворі (U_GS>0) викликає приток у канал основних носіїв варяду (електронів), в результаті чого зростає струм стоку. Такий режим роботи МОН-транзистора називається режимом збагачення.

Отже, МОН-транзистор з  вбудованим каналом за своїми властивостями та характеристиками подібний до польового транзистора з керуючим р—n-переходом і відрізняється лише тим, що для його закриття потрібне негативне зміщення у випадку канапа з провідністю n-типу і позитивне зміщення — у випадку провідності р-типу.

     У МОН-транзистора  з наведеним каналом (рис. 1.22, б) за відсутністю зміщення на затворі канал відсутній і струм стоку I_D практично дорівнює нулю. За деякої позитивної (для транзисторів з n-підкладкою— негативної) відносно витоку напруги на затворі, що називається пороговою U_B0, в поверхневому шарі між витоком і стоком через наявність діелектрика SiO₂ відбувається явище інверсії. В результаті створюється тонкий канал інверсійного шару, товщина якого і питома провідність для основних носіїв заряду збільшуються із зростанням напруги на затворі. Якщо при цьому до стоку прикласти напругу такої ж полярності, які на затворі, то струм стоку I_D зі збільшенням напруги U_GS зростає (див. стокзатворну та вихідну характеристики, рис. 1.23, в, г). Напругу U_B0 можна трактувати як напругу відсікання U_GS0 польового транзистора з керуючим p—n-переходом (див. рис. 1.21, а). За зовнішнім виглядом вихідні вольт-амперні характеристики МОН-транзистора (рис. 1.23, б, г) аналогічні одноі'менним характеристикам польового транзистора з керуючим p—n-переxодом (рис. 1.21, б).

Відсутність струму стоку  при нульовому зміщенні на затворі, а також однакова полярність напруги на затворі та стоку в МОН-транзисторів з індукованим каналом є сприятливою передумовою для побудови високоекономічних імпульсних схем. При використанні МОН-транзистор ів в аналогових пристроях орієнтуються на їх дуже великий вхідний опір, що досягає через наявність шару діелектрика 10¹⁵ 0м.

Параметри польових транзисторів з ізольованим затвором в першому наближенні такі, як і в транзисторів з керуючим p—n-переходом. Полярність робочих напруг на електродах для різних типів польових транзисторів вказані в табл. 1.1.

Тиристори                         

Електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з трьома або більше p—n-переходами, вольт-амперна характеристика якого має ділянку від'ємного опору, називають тиристором. Такий прилад у колі змінного струму відкривається, пропускаючи струм в навантаження, лише тоді, коли миттєве значення напруги на аноді досягає певного рівня або коли подається відмикаюча напруга на спеціальний керуючи електрод за відповідної напруги на аноді, що відрізняється від напруги перемикання.

За числом зовнішніх  електродів тиристори поділяються  на двохелектродні (діодні) та трьохелектродні (тріодні). Тиристори мають чотиришарову структуру напівпровідника з різного виду провідностями. Крайні шари — це анод і катод, а третій — це керуючий електрод. Діодні тиристори є перемикаючими приладами, а тріодні — керованими. На рис. 1.24, а—ж показані конструкція силового тиристора та умовні графічні позначення тиристорів згідно ДЕСТ 2.730—73*.

Типова чотиришарова структура тиристора типу p—n—р— n показана на рис. 1.25, а. Крайні шари p₁,n₂ з металічними контактами A та К (анод і катод) є емітерними, а p—n-переходи П1 та ПЗ— емітерними переходами. До анода та катода під'єднують джерело зовнішньої напруги. Середні шари n₁, p₂ являють собою базові області. База p₂ має металічний контакт, що називається керуючим електродом КЕ. Він приєднаний до зовнішнього джерела керуючої напруги E_G. Таким чином, у чотиришаровій структурі, так би мовити, об'єднані два транзистори в одному приладі: комбінації шарів, p₁—n₁—р₂— один транзистор, а комбінація шарів n₁—р₂—n₂—другий. Перехід П2 називають колекторним для обох транзисторів. Вольт-амперна характеристика тиристора наведена на рис. 1.25, б.

Якщо струм у колі керуючого електрода дорівнює нулю ( i_G = 0 ), а між анодом та катодом прикладена невелика постійна напруга вказаної на рис. 1.25, а полярності менша за напругу U_(B0) (див. рис. 1.25, б), то переходи П1 та ПЗ зміщуються в прямому напрямі, а перехід П2 — в зворотному. При цьому більша частина напруги за рахунок зовнішнього джерела E_A спадає на зворотнозміщеному переході П2.

З підвищенням зовнішньої напруги струм і_A зростає, оскільки збільшується зміщення переходів П1 таПЗ в прямому напрямі. При цьому зниження потенціального бар'єра переходу ПЗ призводить до інжекції електронів з емітера n₂ в базу n₁. Частина з них, уникнувши рекомбінації, досягає зворотнозміщеного колекторного переходу П2 і перекидається його полем в базу n₁. Зростання концентрації електронів у базі n₁ призводить до зменшення висоти потенціального бар'єра переходу П1. В результаті цього збільшується інжекція дірок з емітера p₁ до бази n₁. Дірки, продифундувавши через базу n₁, досягають переходу П2 і переводяться його полем у базу p₂. При цьому їх концентрація збільшується, що призводить до зниження потенціального бар'єра переходу ПЗ, збільшення інжекції електронів з емітера n₂ і т. д. Таким чином, у структурі розвивається лавиноподібний процес збільшення струму (ділянка 0а, рис. 1.25, б), що аналогічно наявності позитивного зворотного зв'язку за струмом.

Коли зовнішня напруга U_A досягне U_(B0), внутрішній позитивний зв'язок викличе лавиноподібний процес інжекції основних носіїв заряду з емітерних областей у бази. Різке збільшення концентрації електронів у базі n₁ та дірок у базі p₂ призводить до швидкого (сумірного з тривалістю лавиноподібного процесу) зниження напруги U₂ зворотнозміщеного переходу П2, а отже, до зменшення напруги на тиристорі, оскільки U_A=U₁+U₂+U₃ (рис. 1.25, а). Це означає, що пряма вітка вольт-амперної характеристики чотиришарової структури має ділянку від'ємного опору (ділянка ав на рис. 1.25, б), на якій зростання струму зумовлене зменшенням напруги.

З розвитком лавиноподібного  процесу, коли відбувається вмикання тиристора, струм в його зовнішньому колі зростає до значення, що залежить від навантаження R_H та напруги джерела живлення E_A. Робочою ділянкою вольт-амперної характеристики є ділянка cd. При цьому спад напруги між анодом та катодом тиристора невеликий, оскільки всі переходи зміщені в прямому напрямі.

Для вимикання тиристора необхідно зменшити прямий струм i_A до значення, що не перевищує значення струму затримування I_H (точка с на рис. 1,25, б), або подати на тиристор напругу зворотної полярності. Після зміни полярності зовнішньої напруги переходи П1 і П3 зміщуються у зворотному напрямі, а перехід П2 залишається прямо-зміщеним. Вольт-амперна характеристика така сама, як і у звичайного діода для зворотного вмикання (ділянка 0е). Напругу вмикання U_(B0) можна зменшити, якщо в коло однієї з баз (звичайно p₂), що прилягає до переходу П2, ввести від зовнішнього джерела E_G додаткове число носіїв заряду за рахунок струму керування i_G. Регулюючи значення струму кола керування, можна змінювати рівень напруги вмикання, за якої виникає лавиноподібний процес розмножування носіїв заряду (рис. 1.25, б).

Основними статичними параметрами  тиристора, що визначаються з його вольт-амперної характеристики, є: номінальний прямий струм I_TAV, що характеризує допустиме нагрівання тиристора за нормальних умов відводу тепла до номінальної температури; номінальний прямий спад напруги U_T(T0) на тиристорі при протіканні номінального струму; допустима зворотна напруга, яку можна тривалий час прикладати до тиристора при його експлуатації. Ця напруга приблизно в два рази менша за пробивну напругу U_(BR), яка встановлюється візуально за місцем згину зворотної вітки вольт-амперної характеристики на екрані осцилографа; напруга перемикання U_(B0), що являє собою найменшу пряму напругу, яка перемикає тиристор з закритого у відкритий стан при розімкнутому колі керування; струм вимикання I_L, який є мінімальним прямим струмом, що підтримує тиристор у ввімкнутому стані безпосередньо після його вмикання і зняття імпульсу керування; струм утримування I_H, що є мінімальним прямим струмом, який, протікаючи через тиристор при розімкненому колі керування, не вимикає його.

До динамічних параметрів тиристора відносяться: час вмикання t_gL — інтервал часу між початком керуючого імпульсу, що подається на керуючий електрод, та моментом, коли значення прямої напруги U_A зменшиться до 10 % свого початкового значення; час вимикання t_q — мінімальний інтервал часу між моментом проходження прямого струму і_A через нуль та моментом проходження через нуль повторно прикладеної прямої напруги, що не викликає вмикання тиристора; критична швидкість наростання струму (di_T/dt)_crit у відкритому стані, яку тиристор може витримати без пошкоджень; критична швидкість наростання напруги (dU/dt)_crit у закритому стані —найбільше значення швидкості наростання напруги, яке в певних умовах не викликає перемикання тиристора із закритого стану у відкритий.

Коло керування тиристора  характеризується мінімальними напругою та струмом, що забезпечують надійне вмикання тиристора за номінальних умов експлуатації, а також максимально допустимими напругою та струмом, що не викликають пошкодження тиристора. Імпульси керування вибирають короткими, з крутими фронтами, оскільки при цьому скорочується час вмикання та знижується потужність комутаційних втрат. Однак тривалість імпульсу повинна бути більшою за час вмикання тиристора. Мінімальна тривалість керуючого імпульсу становить 15—20 мкс.

При виготовленні p—n-переходів напівпровідникових приладів ранніх випусків використовувались технологічні методи вирощування монокристала напівпровідника з розплаву і вплавлення домішки в монокристал (вирощені і сплавні p—n-переходи). Напівпровідникові прилади з такими p—n-переходами працювали на дуже низьких частотах. Робочі потужності цих приладів були невеликі. Тому головним завданням напівпровідникової електроніки в перше десятиріччя її існування було розв'язання двох проблем:

створення транзисторів, які спроможні підсилювати і  генерувати електричні коливання у  всьому діапазоні радіочастот аж до міліметрових хвиль;

збільшення робочих  потужностей від частин вата до десятків і сотень ват.

Скоро стало ясно, що розв'язання цієї проблеми здебільшого пов'язане з можливістю створення в глибині кристала і на його поверхні вкрай малих областей з особливими властивостями.

З метою зменшення  площі p—n-переходу і відповідно його ємності розроблений електрохімічний метод, який дозволяє виготовляти так звані поверхнево-бар'єрні переходи, що конструктивно аналогічні сплавним. Суть цього методу полягає в тому, що на поверхні пластини напівпровідника з допомогою тонкої струминки електроліта витравлюється заглиблення (лунка), розміри якої визначають площу p—n-переходу. В заглибленні на поверхню пластини електролітичним способом осаджують, а потім вплавляють відповідний метал, який є домішкою p- або n-типу. Так утворюється p—n-перехід, тобто контакт метал-напівпровідник. Напівпровідникові прилади з поверхнево-бар'єрними p—n-переходами (переходами мезаструктури) більш високочастотні порівняно з приладами, які мають вирощені або сплавні p—n-пере-ходи (переходи класичної структури).

Для переходів класичної структури характерне почергове розміщення шарів з різними типами провідності. В мезаструктурі окремі шари розміщені на підвищенні над монокристалом напівпровідника (основою), як на гірському плато (mesa). Однак у тому і другому випадках p—n-переходи виходять на поверхню кристала. При цьому навіть незначне забруднення або зволоження області p—n-переходу спричиняє погіршення і нестабільність його параметрів.