Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Тиристори
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Не вказано
Інформація про роботу
Рік:
2024
Тип роботи:
Теорія
Предмет:
Інші
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Розділ 7
Тиристори
7.1. Загальні відомості
Тиристор — напівпровідниковий прилад з трьома і більше p-n-переходами вольт- амперна характеристика якого має ділянку з відємним диференціальним опором і який використовується для переключення. Структура тиристора показана на рис 1. Тиристор представляє собой чотирьохшаровий р 1 -n 1 -р 2 -n 2 -прибор, маючий в собі три послідовно зєднаних p-n-переходи ( EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 ). Обидві зовнішні області називають емітерами (Е 1 і Е 2 ), а внутрішні області — базами (Б 1 і Б 2 ) тиристора. Переходи EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 називаются емітерними, перехід EMBED Equation.3 — колекторним переходом
рис 1
Схема діодного тиристора:
а) структура діодного тиристора;
б) зонна діаграма при нульові напрузі;
в) залежність напруги електричного поля від координати
Пристрій без управляючих електродів працює як двохполюсник і називається діодним тиристором (діністором) Пристрій з управляючим електродом є трьохполюсником і називається тріодним тиристором (тріністором).
рис 2
Схема (а)
Корпус пристрою (б)
Характеристики (в)
Схематичне позначеня тріодного тиристора (г)
7.2. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора
На рис 2 показана схема тріодного тиристора з керуючими електродами p корпусом пристрою і характеристики тиристора. Керуючий електрод може бути підключений до любої із баз (Б 1 і Б 2 ) тиристора, як показано на рис 2.
Управляючі тиристори використовуються для комутування високих значень струмів, напруг і потужностей. Тому корпуса тиристорів, як правило, являються достатньо масивнми і в багатьох випадках є з вбудованними радіаторами для поліпшення тепловідвода. На рис 2б показана топологія корпуса тиристора малої потужності. Для коммутації потужностей важливими параметрами є час включення і виключення тиристора. Характерні значення цих часів для тиристорів лежать в мікросекундному відрізку. На рисунку 2в в якості прикладу наведені характеристики для тріодного тиристора КУ208.
При розробці тиристора в якості першочергового матеріалу вибирається підложка n- або р-типу. Привичний профіль легуючої суміші в дифузійно-сплавному пристрої показан на рис 3. В якості першочергового матеріалу вибирана підложка n-типу. Дифузією з обох сторін підложки одночас створюють шари р 1 і р 2 . На кінцеві стадії шляхом сплавлення з одної сторони підложки створюють шар n 2 . Структура полученого тиристора має вигляд p 1 + -n 1 -p 2 -n 2 + .
Рис. 7.3. Профіль концентрації легуючої домішки (NA ,D ) в емітерах і базах тиристора [10]
7.2. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора
Вольт-амперна характеристика діодного тиристора, показана на рис. 7.4, має декілька різних відрізків. Пряме зміщення тиристора відповідає позитивні напрузі VG , яка подається на перший p 1 -емітер тиристора.
Відрізок характеристики між точками 1 і 2 відповідає закритому стані з високим опором. В цьому випадку основна частина напруги VG падає на колекторному переході П 2 , який змінюється в протилежному напрямі . Емітерний переходи П 1 і П2 включені в прямому напрямі. Перший відрізок ВАХ тиристора аналогічний протилежні гілці ВАХ p-n-перехода.
При досягнені напруги VG , називаємої напруги включення U вкл , або струму J, називаємого струмом включення J вкл , ВАХ тиристора переходить на відрізок між точками 3 і 4, які відповідають відкритому стані . Між точками 2 і 3 находиться перехідний відрізок характеристики з відємним диференціальним опором, не спостережені на статичних ВАХ тиристора.
Рис. 7.4
ВАХ тиристора: VG — напруга між анодом і катодом; I у , V у — мінімальний утримуючий струм і напруга; I в , V в — струм і напруга включення.
7.2.1. Феноменологічне описання ВАХ динистора
Для пояснення ВАХ динистора використовують двотранзисторную модель. Із рис. 7.5 виходить, що тиристор можна розглядати як зєднаний p-n-р-транзистор з n-p-n-транзистором, причому колектор кожного із них зєднаний з базою іншого. Центральный перехід діє як колектор дирок, інжекованих переходом П 1 , і як колектор електронів, інжекованих переходом П 2 .
Рис. 7.5.
Двотранзисторна модель діодного тиристора
Взаємозвязок між струмами емітера I е , колектора I к статичними коефіцієнтами підсилення по струму α 1 р 1 -n 1 -р 2 -транзистора і α 2 n 2 -р 1 -n 1 -транзистора наступна. Показуючи динистор як два транзистора, запишем наступне відношення.
Нехай I П1 — струм через перехід П 1 . Тоді частина струму I П1 ,яка дійшла до колекторного переходу П 3 I П1→П3 , буде дорівнювати
EMBED Equation.3 ; (7.1)
Якщо EMBED Equation.3 — струм через перехід П 2 , аналогично:
EMBED Equation.3 ; (7.2)
Врахуєм що один фактор — лавинне помноженя в переході EMBED Equation.3 через коефіцієнт лавинного помноження М. Тоді сумарний струм EMBED Equation.3 через перехід EMBED Equation.3 буде дорівнювати:
EMBED Equation.3 (7.3)
де EMBED Equation.3 — зворотній струм переходу EMBED Equation.3 (генераційний і тепловий). В стационарному випадку струми через переходи EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 рівні, тоді:
EMBED Equation.3 (7.4)
Звідси:
EMBED Equation.3 ;
EMBED Equation.3 (7.5)
де α = EMBED Equation.3 — сумарний коефіцієнт передачі струму першого (p 1 -n 1 -p 2 ) і другого (n 2 -p 2 -n 1 ) транзисторів.
Вираз (7.5) в цьому виді описує ВАХ діодного тиристора на «закритому» відрізку, оскільки коефіцієнти М і α залежать від прикладеної напруги VG . По мірі росту α і М з ростом VG , коли значення М(α 1 + α 2 ) стане рівне 1, із виразу (7.5) виходить, що струм I → ∞. Ця умова і є умовою переключення тиристора із стану «закрито» в стан «відкрито». Напруга переключення становить у тиристорів від 20—50 до 1000—2000 В, а струм переключення — віл долей мікроампера до одиниць міліампера (в залежності віл площадки).
Таким чином, в стані «закрито» тиристор повинен характеризуватися малими значеннями α і М, а в стані «відкрито» — великим значеннями коефіцієнтів α і М. В закритому стані (α — мале) вся прикладена напруга попадає на колекторному переході EMBED Equation.3 , і струм тиристора — це струм зворотньозміщеного p-n-переходу.
Енергетична діаграма тиристора в стані рівноваги приведена на рис. 7.6, а в режимі прямого зміщеня («+» — на шарі р 1 ) в закритому стані представлена на рис. 7.6 б.
Якщо полярність напруги між анодом і катодом замінити на зворотню, то переходи EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 будуть зміщені в зворотньому напрямку, а EMBED Equation.3 — в прямому. ВАХ тиристора цьому випадку будет звичайна ВАХ двох зворотньому p-n- переході.
Рис. 7.6.
Зонна діаграма і струми в тиристорі в закритому стані [10]:
а) розподіл обємних зарядів в переходах тиристора;
б) зонна діаграма і струми в закритому стані;
в) залежність напруги електричного поля від координати.
7.2.2. Зонна діаграма і струми діодного тиристора в відкритому стані
У відкритому стані всі три переходи зміщені в прямому напрямку. Це проходить у наслідок накопичення обємних зарядів в базах n 2 і p 2 тиристора. Дійсно, при великих значення коефіцієнта передачі α 2 електрони, інжектовані із n 2 емітера в р 2 базу, дифундують до p-n-переходу колектора EMBED Equation.3 , проходять його і попадають в n 1 -базу. В подальшому проходженю електронів по тиристорній структурі перешкоджає потенціальному барєру емітерного переходу EMBED Equation.3 . Тому частина електронів, попавша в потенціальну яму n 1 -бази, утворює відємний шкідливий заряд.
Инжектовані дирки із емітера р 1 в базу n 1 дифундують до p-n-переходу колектора EMBED Equation.3 , проходять через ннього і попадають в базу p 2 . В подальшому їх проходженю прешкоджає потенціальний барєр емітерного переходу EMBED Equation.3 .
Отже, в базі p2 проходить накопичення надлишкового додатнього заряду. В результаті накопичення надлишкового додатнього заряду в базі p 2 і негативного заряду в базі n 1 перехід EMBED Equation.3 зміщується в прямому напрямку, проходить різке збільшення струму і одночасно зменшення спаду напруги на тиристорі. На рис. 7.7 приведена зонна діаграма тиристора з накопиченням обємних зарядів в обох базах n 1 і р 2 .
Величина спаду напруги в прямому відрізку ВАХ складає пряму напругу на трьох прямозміщених p-n-переходах і має значеня приблизно 2—3 вольта. Пряме зміщення на p-n-переходах обумовлено на EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 за рахунок зовнішньої напруги, а на EMBED Equation.3 за рахунок обємних зарядів в базах Б 1 і Б 2 .
Рис. 7.7.
Зонна діаграма і струми тиристора в відкритому стані:
а) росподіл обємних зарядів в переходах тиристора;
б) зонна діаграма і струми в відкритому стані;
в) залежність напруги електричного поля від координати.
Таким чином, тиристор має два стійкі стани : малий струм, велика напруга , великий опір і великий струм, мала напруга, малий опір. Перехід тиристора із закритого у відкритий стан звязаний знакопиченням обємного заряду в базах Б 1 і Б 2 із-за росту значення коефіцієнта передачі емітерного струму α і коефіцієнта помноження М. То є ріст α, М з ростом струму J і напруги VG в тиристорі являється причиною перехода тиристора із закритого стану у відкритий. У відкритому стані тиристор находиться доти, поки за рахунок проходящого струму підтримуються накопичені заряди в базах, необхідний для пониження висоти потенціального барєра колекторного переходу до величини, яка відповідає прямому його включеню. Якщо струм зменшиться до значеня Iу , то в результаті рекомбінації надлишкові заряди в базах зменшаться, p-n-перехід колектора опинеться включенним в зворотньому напрямку, пройде перерозподіл падінь напруг на p-n-переходах, зменшиться коефіцієнт передачі α і тиристор перейде в закритий стан. В такому випадку, тиристор в області прямих зміщень (пряме включення) являє бістабільний елемент, способний переключатися із закритого стану з великим опором і малим струмом у відкритий стан з низьким опором і великом струмом, і навборот.
7.2.3. Залежність коефіцієнта передачі α від струму емітера
Залежність коефіцієнта передачі емітерного струму α від напруги, прикладеної до тиристора, являється причиною переключеня тиристора. Розглянемо, які фізичні механізми можуть забезпечити таку залежність. В області малих струмів основна причина залежності α від струму I звязана з рекомбінацією в емітерному переході. При наявності рекомбінаційних центрів в області просторрового заряду емітерного переходу прямий струм такого переходу в області малих прямих зміщень — рекомбінаційний J рек . Залежність цього струму від напруги експотенціальна, но показник експоненти в два раза менший, для дифузійного струму J pD. Коефіцієнт передачі емітерного струму α рівний коефіцієнту переносу κ і коефіцієнту інжекції γ. При присутності рекомбінаційної компоненти струму в p-n-переході вираз для коефіцієнта інжекції γ буде наступним:
EMBED Equation.3
По мірі росту прямої напруги на p-n-переході дифузійна компонента струму J pD начинає преважати над рекомбінаційним J рек . В термінах ефективність емітера γ це еквівалентно росту ефективності емітера γ, а значить, і збільшеню коефіцієнта передачі емітерного струму α = γ·κ. На рис. 7.6 показана зонна діаграма емітерного переходу, яка ілюструє конкуренцію двох струмів — рекомбінаційного і дифузійного в струмі емітера, а на рис. 7.8 — типова залежність коефіцієнта передачі α від струму емітера I е при присутності рекомбінаційних центрів в ОПЗ p-n-переходу.
Таким чином, для реалізації тиристорного ефекта в чотирьохшарові p-n-p-n- структурі необхідно ввести рекомбінаційні центри в емітерні переходи тиристора з тим, що би забезпечити залежність коефіцієнта інжекції γ, а відповідно, і коефіцієнта передачі α від напруги, прикладеної до тиристора.
Рис. 7.8.
Типова залежність коефіцієнта передачі α від струму емітера I е при наявності сильної рекомбінації в ОПЗ емітерних p-n-переходів.
7.2.4. Залежність коефіцієнта М від напруги VG . Помноження в колекторному переході
Інший фізичний механізм, приводить до накоппиченю обємних зарядів в базах тиристора, звязаний з лавинним помноженням в колекторному переході. При великих значенях зворотньої напруги на p-n-переході величина електричного поля E в області просторового заряду може приблизитися до значеня, яке відповідає напрузі лавинного пробою. В цьому випадку на відстані вільного пробігу λ електрон або дірка набирають енергію q λE, більшу, чим ширина забороненої зони напівпровідника q λE > E g , і визивають генерацію нової електронно-диркової пари.
Це є аналогічно лавиному пробою в стабілітронах. Якщо М — коефіцієнт ударної іонізації, який показує кількість носіїв, народжених при лавинному помножені одної частинки, то М описується емпіричною формулою:
EMBED Equation.3
де EMBED Equation.3 — напруга лавинного пробою, а значеня коефіцієнта n для Ge, Si рівне 3. Таким чином, помноження в колекторі може служити причиною накопичиня обємних зарядів в базах тиристора. З формальної точки зору, помноження в колекторі еквівалентне росту коефіцієнта передачі і величини колекторного струму. Отже, повертаючись до ВАХ тиристора, показаної на рис. 7.4, можна відмітити наступні особинності різних участків ВАХ в області прямих зміщень. В стані «закрито», по мірі росту напруги на тиристорі 1-2, в наступному ростуть коефіцієнти передачі емітерного струму α або коефіцієнта помноження M в колекторному переході. В точці переключеня 2 виконується умова M (α 1 + α 2 ) = 1, і начинається процес накопичиня обємних зарядів в базах тиристора. Відрізок з відємним диференційним опором 2-3, не побачений на статичних ВАХ, як раз звязаний з формуліровкую цього обємного заряду в базах тиристора. Час накопичиня заряду і є часом переключеня тиристора із стану «закрито» в стан «відкрито». Відрізок 3-4 характеризує відкритий стан тиристора. На цьому відрізку всі три p-n-переходи зміщуються в прямому напрямку і опір тиристора становить десятки Ом.. Обовязковим умовою для реалізації являється або присутність рекомбінаційнних центрів в області просторового заряду емітерних p-n-переходів, або реализація умови для лавинного помноженя в колекторному p-n-переході.
7.3. Тріністор
Щоб перевести тиристор у відкритий стан, необхідно накопичити надлишковий негативний заряд в базі n 1 і позитивний в базі р 2 . Це приводиться шляхом збільшення рівня інжекції через емітерні переходи EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 при збільшені напруги на тиристорі до U перекл . Накопиченя обємних зарядів в базах Б 1 і Б 2 можна керувати, якщо в одної з баз є контакт, який називається керуючим електродом (рис. 7.2а). На керуючий електрод бази подається напруга такої полярності, щоб прилягаючий до цеї бази емітерний перехід був включений в прямому напрямку. Це приводить до росту струму через емітерний перехід і зменшеню U перекл . На рис. 7.9 показано сімейство ВАХ тиристора при різних значенях керуючого струму. При достатньо великих значенях струму I кер ВАХ тиристора трансформується в пряму гілку ВАХ діода. Критичне значеня струму I кер , при якому на ВАХ тиристора зникає відрізок з овідємним дифиренціальним опором і тріністор включається, минаючи закритий стан, називається струмом виправлення. Таким чином, присутність I кер принципіально не міняє існування процесів, формуючих вид ВАХ тиристора, но міняє значеня параметрів: напруги переключеня і струм переключеня.
Рис. 7.9.
ВАХ тріністора при різних значенях керуючого струму бази I кер
На рис. 7.10 показані параметри, характеризуючі різні тиристори в залежності від вибора робочої точки. Найбільш важливими параметрами є час виключення тиристора, керуючий і утримуючий струм.
а
б
в
Рис. 7.10.
Приклади характеристик кремнівих тріністорів КУ104 [80]:
а) залежність відкриваючого імпульсного струму I вк від довжини відкриваючого імпульса t у ;
б) залежність часу виключеня t вик від постояного струму у відкритому стані I вк тиристора;
в) залежність струму керування I кер від температури T окружаючого середовища.
7.3.1. Феноменологічне описаня ВАХ тріністора
Аналогично як і для диністора, запишем систему рівнянь для струму тиристора через емітерний і колекторний p-n-переходи, з урахуванням управляючого струму I кер через другу базу
EMBED Equation.3 , (7.8)
EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 . (7.9)
Сума всіх струмів, протікаючих через перехід EMBED Equation.3 , буде дорівнювати:
EMBED Equation.3 (7.10)
На рис. 7.11 приведена схема тріністора, яка використовується для розрахунку ВАХ в закритому стані.
Рис. 7.11.
Схема включеня тріністора для розрахунку ВАХ
При присутності лавинного помноження М в колекторі EMBED Equation.3 струм через колекторний перехід будт рівний:
EMBED Equation.3 (7.12)
Звідси ВАХ тиристора на закритому відрізку дорівнює:
EMBED Equation.3 (7.13)
Рівняння (7.13) описує ВАХ тиристора в закритому стані, оскільки коефіцієнти М, EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 залежать від напруги V G .
Аналогічно діністору, у відкритому стані тиристор находиться до тих пір, поки за рахунок протікаючого струму підтримуються надлишкові заряди в базах, необхідні для пониженя висоти потенціального барєра колекторного переходу до величини, яка відповідає прямому його включеню.
Якщо струм зменшиться до критичного значеня I кер , то в результаті рекомбінациї надлишкові заряди в базах зменшаться, p-n-перехід колектора буде включеним в зворотньому напрямку, пройде перерозподіл спадів напруг на p-n-переходах, зменшиться інжекція із емітерів і тиристор перейде в закритий стан.
7.3.2. Симетричні тріністори
Конструкція тиристора позволяють включити два тиристора із структурами p-n-p-n і n-p-n-p паралельно оди до іншого. В цьому випадку вольт-амперна характеристика включених тиристорів буде симетрична відносно осі напруги і струму. Напівпровідниковий прилад із симетричною ВАХ, має відрізок з диференціальним відємним опором і два бістабільних стани «закрито» і «відкрито» називається семістором.
Семістор складається із пяти послідовно зєднаних p- і n-областей.На рис. 7.12. приведені структурні схеми, вольт-амперна характеристика і умовне графічне позначеня тріака. Симетричні тріодні тиристори використовуються як ключеві елементи в ланцюжках зміної напруги. При додатньому потенціалі на електроді емітера Е 1 тиристорний ефект реалізується в ліві частині тріака p 1 – n 1 – p 2 – n 2 . При відємному потенціалі на електроді емітера Е 1 тиристорний ефект реализується в праві частині тріака p 2 – n 1 – p 1 – n 4 . При подачі керуючої напруги на базу Б в залежності від полярності керуючої напруги міняється напруга переключеня тиристора. Переходи EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 іграють роль емітерних переходів, а переходи EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 по черзі — роль колекторного перехода в залежності від полярності напруги на емітерах.
Рис. 7.12.
Схема (а)
вольт-амперна характеристика (б)
умовне графічне позначеня тріака (в)
7.4. Одноперехідні транзистори
Напівпровідниковий прилад з одним електронно-дірковим переходом, що має на вольт-амперній характеристиці область з негативним диференціальним опором, називається одноперехідним транзистором. На мал. 7.13 приведені схема включення одноперехідного транзистора, його вольт-амперна характеристика і умовне графічне позначення. Особливістю конструкції одноперехідного транзистора є наявність довгої слаболегованої бази з омічними контактами Б 1 і Б 2, як показано на рис. 7.13. Принцип роботи одноперехідного транзистора заснований на явищі сильної інжекції або, іншими словами, на високому рівні інжекції. Для більшості біполярних приладів активний режим роботи реалізується за умови низького рівня інжекції. Критерій низького рівня інжекції полягає в тому, що концентрація інжектованих неосновних носіїв істотно нижча, ніж концентрація основних носіїв. Для напівпровідника n-типу це означає, що концентрація p і n істотно менша, ніж n n0.
Оскільки провідність Напівпровідника визначається сумою концентрацій основних і неосновних носіїв, . Тиристори у разі низького рівня інжекції провідність, а отже, і опір напівпровідника при інжекції неосновних носіїв не міняються.
Рис. 7.13.
Одноперехідний транзистор:
а) схема включення;
б) вольт-амперна характеристика;
в) умовно-графічне позначення;
г) еквівалентна схема
У разі високого рівня інжекції (p n >> n n0 ) ситуація інша. Оскільки концентрація інжектованих неосновних носіїв більше, ніж концентрація основних носіїв, у разі високого рівня інжекції провідність, а відповідно, і опір напівпровідника при інжекції неосновних носіїв істотно міняються. Розглянемо, яким чином умова високого рівня інжекції виявляється у вольт-амперних характеристиках одноперехідного транзистора. При подачі напруги між базами Б 1 і Б 2 унаслідок омічних контактів до цих баз прикладена напруга лінійно розподілиться уздовж напівпровідникової бази одноперехідного транзистора. Емітер одноперехідного транзистора Е знаходиться приблизно посередині бази. На рис. 7.13 ця крапка позначена буквою А. При додатньому потенціалі в крапці Б 2 (наприклад, напруга живлення V = +5 В) величина потенціалу в крапці А буде також позитивна (відповідно V = +2 В). При нулювій напрузі на емітері це відповідає зворотньому зсуву p-n-перехода емітер – база. При зростанні напруги на емітері до тих пір, поки напруга на емітері не порівняється із значенням потенціалу в крапці А, емітерний перехід буде зміщений у зворотному напрямі. На вольт-амперній характеристиці ця ділянка знаходиться нижчим за вісь абсцис.
Коли значення напруги на емітері порівняється і буде трохи вище, ніж значення потенціалу в крапці А, відбудеться прямий зсув p-n-перехода емітер – база. В цьому випадку в базу будуть інжектовані неосновні носії. База одноперехідного транзистора слабо легована, концентрація основних носіїв в ній невелика. Тому при прямому зсуві емітерного переходу легко реаалізувати критерій високого рівня інжекції. Це приводить до того, що в області бази А-Б 1 сумарна концентрація основних і неосновних носіїв стає вищою, ніж в рівноважному стані, а, отже, опір цієї області зменшується. На рис. 7.13г ця область бази представлена у вигляді змінного резистора, опір якого починає зменшуватися досягши напруги на емітері. Зменшення опору бази на ділянці А-Б 2 викликає зменшення потенціала в крапці А, формованого за рахунок джерела живлення в ланцюзі Б 1 -Б 2 . Це, у свою чергу, збільшує прямий зсув емітерного переходу і величину інжекційного струму. Такий позитивний зворотній зв'язок обумовлює перемикання одноперехідного транзистора в стан з високим значенням струму емітера. Перехідною ділянка ВАХ є ділянкою з негативним диференціальним опором і показаний на мал. 7.13б. У стаціонарному перебуванні на ділянці з високим значенням струму вольт-амперна характеристика одноперехідного транзистора описується як ВАХ діода в режимі високого рівня інжекції, струм якого обмежений об'ємним опором бази діода.
РОЗДІЛ 8
ЛАВИННО-ПРОЛЬОТНі ДІОДИ
8.1.Загальні відомості
лавинно-пролітним діодом (ЛПД) називають напівпровідниковий діод з відємним опором в НВЧ-діапазоні, що працює при зворотньому зсуві p-n-перехода в режимі лавинного множення носіїв заряду і їх прольоту через область просторового заряду (ОПЗ) напівпровідникової структури. Теоретичні розробки з описом ідеї створення ЛПД вперше були викладені У. Рідом в 1958 році, тому базовий варіант лавинно-пролітного діода на основі асимметричного p-n-перехода зазвичай називають діодом Ріда. Генерація СВЧ-коливань в такого сорту германієвих структурах вперше спостерігалася в 1959 році А. С. Тагером, а потім в 1965 році на кремнієвих діодах Р. Л. Джонсоном [6, 14, 17, 20, 23]. Виникнення негативного опору в лавинно-пролітних діодах обумовлене двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протіканя в ОПЗ p-n-перехода в режимі лавинного множення. Перший процес зв'язаний з часом наростання лавинного струму, а другий процес пов'язаний з проходженням носіїв через пролітну область. Їх суперпозиція приводить до появи фазового зрушення між струмом і напругою на виводах діода. Одним з основних критеріїв, необхідним для роботи ЛПД, є зразкова рівність між періодом коливань НВЧ-поля і характерним часом прольоту носіїв через ОПЗ. В цьому випадку пакет інжектованих носіїв, дрейфуючи через пролітну область в прискорюючому постійному полі, але гальмуючому НВЧ-полі, здійснює перетворення енергії постійного електричного поля в енергію НВЧ-коливань, що і служить фізичною основою для використання лавинно-пролітних діодів як генератори НВЧ-коливань.
8.2. Пристрій і зонна діаграма
Розглянемо пристрій і параметри лавинно-пролітного діода на основі класичного діода Ріда із структурою p + -n-i-n + . На рис. 8.1 приведені схема, росподіл легуючих домішок, електричного поля і коефіцієнта ударної іонізації в діоді Ріда при напрузі, рівній напрузі лавинного пробою [10, 20, 31]. Для зворотнозміщеного p-n-перехода максимальне значення напруженості електричного поля спостерігається на металургійній межі, а оскільки коеф- фіцієнт лавинного множення, згідно формулі (4.36), різко залежить від напруженості поля, то практично весь процес множення ноіїв відбувається у вузькому шарі високого поля p-n-перехода, що становить малу частку ширини збідненої області p+-n-перехода. Ширина області множення W визначається так, щоб при інтеграції коефіцієнта іонізації отримати 95 % повної величини ефективного коефіцієнта. Для випадку, приведеного на рис. 8.1, ширина області лавинного множення складає 0,2 мкм для кремнієвих структур. Поза цією областю множення не відбувається. Тому частину яка лишилася ОПЗ називатимемо областю дрейфу. Найважливішою характеристикою області дрейфу є швидкість носіїв заряду, з якою вони проходять через цю область. Для того, щоб час прольоту був мінімальний, необхідно в ОПЗ мати високі значення напруженості електричного поля. Для високих електричних полів унаслідок розсіювання на оптичних фононах дрейфова швидкість досягає насичення. Значення електричного поля, відповідного цьому критерію, для кремнію дорівнює EMBED Equation.3 В/см, для арсеніду галію EMBED Equation.3 В/см. Різні різновиди лавинно-пролітних діодів реалізовані у вигляді діода з симетричним p-n-переходом, діода з тришаровою базою і у вигляді p-i-n-діода.
Рис. 8.1.
Схема (а),
розподіл концентрацій легуючих домішок (б),
електричного поля (в),
коефіцієнта ударної іонізації (г)
8.3. Малосигнальні характеристики
Як вже наголошувалося вище, поява фазового зрушення між струмом і напругою на виводах лавинно-пролітного діода обумовлена двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протікання і зв'язаними з часом наростання лавинного струму, і з проходженням носіїв через пролітну область. Розглянемо запізнювання фази, обумовлене цим явищем, на прикладі діода, що ідеалізується . Вважатимемо, що імпульс струму провідності j з інжектується при x = 0 з фазовим кутом по відношенню до повного струму j, а постійний зворотний зсув таке, що інжектовані носії рухаються в області дрейфу з постійною швидкістю насичення v d . Щільність змінного струму провідності j з при х = 0 рівна повній щільності струму j із зрушенням фаз φ:
EMBED Equation.3 8.1
В будь-які області повний струм j(x) буде рівний сумі струмів провідності jc і струму зміщеня jd :
EMBED Equation.3 8.2
У виразі для повного струму j(x) величина E(х) — змінна компонента напруженості НВЧ-електричного поля. Комбінуючи (8.1) і (8.2), получаєм вираз для імпеданса Z ідеалізованого діода Ріда в наступному виді:
EMBED Equation.3
У відповідності з (8.3): С = ε s ·ε0 /W — ємність на одиницю площі; θ = ω·τ пр = ω·W/v d — пролітний кут. Виділив із виразу для повного імпеданса Z дійсну Re і зміну Im частини, отримаємо [10, 31]:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Розглянемо вплив інжекційного фазового кута EMBED Equation.3 на опір по зміному струму (дійсну частину імпедансу). На рис. 8.2 приведена залежність дійсної частини імпедансу для трьох значень інжекційного фазового кута: EMBED Equation.3 = 0, EMBED Equation.3 = п/2 і EMBED Equation.3 = п. З рис. 8.2 видно, що коли кут EMBED Equation.3 = 0, дійсна частина імпедансу Re завжди позитивна або рівна нулю.
Отже, тільки пролітний ефект не може привести до появи негативного опору. В тому випадку, якщо інжекційний фазовий кут EMBED Equation.3 відмінний від нуля, той опір може бути негативним при деяких значеннях пролітних кутів. Максимальне значення негативного опору спостерігається при інжекційному фазовому куті EMBED Equation.3 , рівному п, і прольотному куті, рівному п. Це відповідає лавинно-пролітному режиму роботи діода, коли фазове зрушення п досягається за рахунок кінцевого часу наростання лавини, а пролітний ефект приводить до додаткового запізнювання на кут п.
8.3. Малосигнальні характеристики
Рис. 8.2. Залежність дійсної частини імпедансу (у відносних одиницях) для трьох значень інжекційного фазового кута:
а) EMBED Equation.3 = 0,
б) EMBED Equation.3 = п/2
в) EMBED Equation.3 = п
Фізично в ЛПД цей ефект обумовлений тим, що щільність носіїв заряду в інжекційному пакеті наростатиме при позитивному знаку НВЧ-поля і досягне максимуму у момент часу T/2, коли НВЧ-поле стане рівним нулю (T — період НВЧ-сигнала). При цьому пакет носіїв, інжектованих в пролітну область ОПЗ, потрапляє в гальмуюче НВЧ-поле. Дрейфуючи через пролітну область в прискорюючому постійному полі, але гальмуючому НВЧ-поле, носії заряду виконують перетворення енергії постійного електричного струму в енергію НВЧ коливань. Енергія взаємодії носіїв зі НВЧ-полем максимальна, якщо час прольоту відповідає інтервалу EMBED Equation.3 пр = (0,5–1,0) T, коли напруженість НВЧ- поля негативна. На рис. 8.3 показані залежності від часу напруженості НВЧ-поля в шарі множення, а також концентрація носіїв заряду у момент інжектування їх з шару множення в пролітну область.
Рис. 8.3.
а) Залежність від часу t напруженості НВЧ-поля Есвч в шарі множення;
б ) залежність від часу t щільності носіїв заряду n, інжектованих з шару множення в пролітну область: T — період коливань НВЧ-поля;
в) схема лавинно-пролітного діода з мезаструктурою, виконана на тепловідводі: 1 — омічний контакт; 2 — сильнолегований шар з електронною провідністю (n + -шар); 3 — слаболегований шар з електронною провідністю (n-шар); 4 — сильнолегований шар з дірковою провідністю (р + -шар); 5 — тепловідвідна металізована пластина На рис. 8.3в показана типова схема ЛПД із структурою p + -n-n , виконаний на тепловідвідній пластині [84].
8.4. Використання ЛПД для генерації НВЧ-коливань
Напівпровідникова ЛПД-структура зазвичай вмонтовується в типовий НВЧ-корпус. Як правило, діод кріпиться дифузійною областю або металевим або діамантовий тепловідвід для забезпечення ефективного охлаждження p-n-перехода під час роботи. Для роботі на частотах, відповідних резонансній частоті власного контура діода, досить помістити діод в розріз коаксіального контура. При роботі на частотах, відмінних від частоти власного контура діода, останній поміщають в зовнішній резонатор. На рис. 8.4 показана типова схема НВЧ-резонатора для вимірювання спектру ЛПД що генеруються, коливань, а на рис. 8.5 — спектр НВЧ-коливань, що генеруються p-i-n-діодом в режимі лавинного множення з негативним опором
Рис. 8.4
НВЧ-резонатор для ЛПД міліметрового діапазону довжин хвиль [17]
Рис. 8.5.
Спектр коливань (V В = 54 В) [20] ЛПД, що генеруються p-i-n-діодом, широко застосовується для генерування і посилення коливань в діапазоні частот 1—400 Ггц. Найбільша вихідна потужність діапазону 1—3 ГГЦ отримана в ЛПД із захопленям об'ємним зарядом лавини і складає сотні ватів в імпульсі. Для безперервного режиму області сантиметрового діапазону найбільше значення вихідної потужності і ККД досягнуті на ЛПД з модифікованою структурою Ріда на основі GaAs і складає Р вых = 15 Вт на частоті 6 Ггц. На рис. 8.6 приведені характерні параметри різних типів лавинно прольотних діодів (вихідна потужність, частота і коефіцієнт корисної дії) як для імпульсного, так і для безперервного режиму СВЧ-генерації.
Частота Ггц
Рис. 8.6.
Характеристики ЛПД. Поряд з експериментальними крапками вказані значення ККД у відсотках [10]:
SD — одна область дрейфу;
DD — дві області дрейфу
8.5. Комутаційні pin-діоди
Напівпровідниковий діод призначений для управління рівнем або фазою НВЧ-сигнала, називається НВЧ-діодом перемикача. Разом з терміном «перемикач» у вітчизняній літературі застосовують також терміни «Обмежувач» або «комутаційні» діоди, а в зарубіжній літературі зазвичай використовується термін «pin-diodes» [30].
Найбільші расповсюджені отримали діоди перемикачів з p-i-n-структурой, хоча є варіанти на основі p-n-перехода і бар'єру Шотки. На рис. 8.7а приведена топологічна схема типового pin-діода. Зазвичай p- і n-області діода леговані до виродження (n +, p + ) , активна i-область має питомий опір від 100 до 1000 Ом·см з достатньо великим часом життя нерівноважних носіїв τеф до 1,0 мкс. Товщина i-шару бази діода складає Wi = 3÷30 мкм. Принцип дії комутаційного pin-діода заснований на різкій зміні його повного електричного опору при зміні полярності напруги, що управляє, або струму. При подачі прямої напруги pin-діод для НВЧ-сигнала еквівалентний активному опору по величині, рівної частки ома. При подачі зворотної напруги (а також при нульовій напрузі) опір такого діода на НВЧ різко зростає і складає величину, рівну декільком кОм. При зворотному зсуві комутаційний pin-діод еквівалентний ємкості (величина 0,1—1,0 пФ), сполученій послідовно з активним опором порядка 1 Ом. Коефіцієнт зміни опору при перемиканні полярності напруги на діоді зазвичай складає 103 і більше разів.
Рис. 8.7.
а) Пристрій комутаційного pin-діода;
б) еквівалентна схема на високих частотах при прямому зміщені;
у) еквівалентна схема на високих частотах при зворотному зсуві
Специфічні особливості p-i-n-структури, істотні для роботи діодів в СВЧ-діапазоні, полягають в наступному. При роботі в прямому напрямі на достатньо високих частотах f, визначених співвідношенням:
EMBED Equation.3
дифузійна ємність C диф p + -i- і n + -i-переходів повністю шунтує переходи. Таким чином, еквівалентна схема p-i-n-діода зводиться до рис. 8.7б, де r пр — опір бази, що модулюється прямим струмом. Співвідношення (8.6) свідомо справедливо на надвисоких частотах f > 10 9 Гц. При прямому зсуві унаслідок подвійної інжекції дірок з p + -області і електронів з n + -області вся база «заливається» носіями і в еквівалентній схемі (рис. 8.7б) виконується:
EMBED Equation.3
Значення r пр в номінальному режимі близькі до величини ~ 1 Ом; при зміні прямого струму величина r пр може змінюватися в широких межах згідно із законом, близькому до:
EMBED Equation.3
При зворотному зсуві еквівалентна схема pin-діода представляється у вигляді рис. 8.7в, де r зв — опір i-бази в немодульованому стані, рівний:
EMBED Equation.3
Реально r зв = 0,1—10 кОм. Пробій p-i-n-структури при відсутності поверхневих відтічок визначається співідношенням:
EMBED Equation.3
тому величина τеф визначається розрахунковий по паспортному значенню Q нк . При різкому перемиканні полярності напруги з прямого напряму на зворотню спочатку протікає фаза розсмоктування накопиченого заряду, тривалість якої рівна:
EMBED Equation.3
де I роз — зворотній струм розсмоктування; тривалість другої фази — відновлення зворотного опору — визначається дрейфовим процесом під дією поля в базі. По порядку величина близька до значення:
EMBED Equation.3
Таким чином, при роботі в діапазоні НВЧ і частково ВЧ p-i-n-діод (без урахування паразитних параметрів C к і L к ) є лінійний резистор, опір якого при прямому зсуві r пр значно менший, ніж при зворотному r зв, при цьому r пр залежить від прямого струму. Як приклад приведемо характеристики кремнієвого p-i-n-діода КА528АМ: прямий опір втрат r пр при Р пд = 30 мВт, I пр = 100 мА і λ = 10 см не більше 0,5 Ом; критична частота не менше 200 Ггц, На рис. 8.8а—8.8г приведені залежності електричних параметрів цього діода від режиму роботи [76]. Pin-діоди перемикачів використовуються як комутуючі пристрої різним НВЧ-приладом, зокрема для фазованих антенних решіток. У цих пристроях pin-діоди мають два робочих електрично керованих стани: одне — при прямому, інше — при зворотному зсуві. Комутаційні НВЧ-діоди споживають малу потужність в ланцюгах управління, працюють в непреривному режимі при рівнях НВЧ-потужності до 1 кВт, а в імпульсному — до 1 Мвт. При використанні pin-діодів як антенні шлейфові діодних нвч-комутаторів для з'єднання по черзі приймача і передавача з прийомопередаючою багатоелементною антеною відбувається зниження масових показників і підвищується надійність комутування.
Рис. 8.8.
Залежності електричних параметрів діода КА528АМ від режиму роботи [76]:
а) залежності зворотнього опору втрат від напруги;
б) залежності прямого опору втрат від струму;
у) залежність граничної температури від частоти;
г) залежність накопиченого заряду від струму
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора