Полупроводниковые приборы (тиристоры,транзисторы, диоды)

10—15 лет назад в схемах электронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонапол­ненный прибор — тиратрон. При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящим и замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостного биполярного транзистора несколько позже было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и тран­зистор).

В ходе развития полупроводниковой техники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характери­стиками, хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определение тиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.

Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терми­нологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, назы­вается триод-тиристором. Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.

Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. счи­тать правую n-область коллек­тором, и подать на нее отри­цательное по отношению к ба­зе (средняя n-область) смеще­ние, а эмиттер (левая р-область) временно оставить разомкнутым, то подключен­ную к источнику питания

рис.1 Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-п-р-п с двойным переходом (ловушкой) в коллекторе.

часть транзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику пита­ния. База этого условного транзистора к схеме не подклю­чена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).

Так как в данном случае мы имеем дело не с транзисто­ром р-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что кол­лектором этого условного транзистора должен быть эле­ктрод, к которому подводится положительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому

подводится отрица­тельное напряжение. Другими словами, полярность при­ложенного к условному транзистору напряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеет смещение в прямом направлении.

Обозначая двумя штрихами вели­чины, относящиеся к этому условному транзистору, запишем

I’’к= I’’э =(B’'0+1)* I’’к0

Отметим, что для структуры р-п-р-п в целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенном эмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматри­ваемой нами структуре, будем записывать без индексов. Таким образом,

Iк0 = I’’к =(B’'0+1)* I’’к0

т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-п в (B’'0+1) раз превосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р-п.

Так как выходным электродом условного транзистора п-р-п является его эмиттер, а коллектор подключен к за­земленной точке, то можно считать, что условный тран­зистор включен по схеме с общим коллектором. Входным электродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р-область.

Для транзистора, включенного по схеме с общим кол­лектором, усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно

êI’’э êI’’э 1 1

êI’’б êI’’э- êI’’к 1- êI’’к/êI’’э 1 - a’’0

Следовательно, изменение тока базы условного тран­зистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1 - a’’0 ) раз большему.

Если подать смещение в прямом направлении на левый р-п переход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, вклю-­

ченный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условного транзистора I’э будет, очевидно, равен току эмиттера Iэ структуры р-п-р-п.

Таким образом, получаем, что структура р-п-р-п пред­ставляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостных транзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором

п-р-п, включенным по схеме с общим коллектором. Рис а, б

Так как области n1 и n2 практически представляют собой одну и ту же n-область, связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p1 и р2 соединенными проводником.

Усиление по току структуры в целом определяется соотношением

a0 =a’ 0/[1-a’’ 0]

Таким образом, при условии, что коэффициент усиле­ния по току каждого из условных транзисторов ( a’0, и a’’0) меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры

а) б)

Схематическое изображение двух стадий (а и б) разде­ления транзистора р-п-р-п на два условных триода р-п-р и п-р-п

р-п-р-п в целом может значительно превышать единицу. Поясним механизм работы этой структуры с помощью энергетических диаграмм рис. 2. Когда отсутствует внешнее напряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2 а) будет иметь вид, представленный на рис. 2 б

Дополнительный потенциальный барьер в коллекторе принято обычно называть ловушкой, в связи с чем струк­туру типа р-п-р-п иногда называли транзистором с ловуш­кой в коллекторе.

Когда приложены внешние напряжения указанной выше полярности, высота потенциального барьера среднего пере­хода резко возрастает, а высота левого и правого потен­циальных барьеров несколько понижается. Если рассмат­ривать только теоретическую модель, т. е. пренебречь паде­нием напряжения на распределенном сопротивлении, то высота левого барьера понизится на величину приближенного к эмиттеру напряжения, а высота правого барьера на величину, определяемую током I’к, протекающим через этот переход рис.в

1	2	3