книги из ГПНТБ / Челноков В.Е. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов
.pdfВ. Е. ЧЕЛНОКОВ, Ю. А. ЕВСЕЕВ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
РАБОТЫ СИЛОВЫХ ПОЛУП РОВОДНИ ковых
ПРИБОРОВ
С предисловием академика В. М. Т у ч к е в и ч а
« Э Н Е Р Г И Я » • М О С К В А • 1973
6 Ф 0 . 3 2
4 - 3 8
УДК 621.382
- i
Челноков В. Е. и Евсеев Ю. А. |
|
|
|
4-38 |
Физические основы работы силовых |
полупровод |
|
никовых приборов. М., «Энергия», |
1973. |
||
|
280 С. С ИЛ. |
|
|
и |
Книга посвящена рассмотрению принципа |
действия, статических |
|
динамических характеристик полупроводниковых |
структур, являю |
||
щихся основой силовых приборов. |
|
|
Детально изложена теория электронно-дырочного перехода, рас смотрены особенности вольт-амперной характеристики, позволяющие использовать кремниевые переходы для создания высоковольтных и высокочастотных вентилей, а также различного рода ограничителей напряжения.
На основе одномерной модели проведен анализ работы р-л-р-я-структуры, являющейся основой тиристоров. Рассмотрены свой ства пятислойных структур и приборов, созданных на их основе, сим
метричных тиристоров с различными вариантами |
управления. |
||||
|
Книга предназначена для инженеров и научных работников, спе |
||||
циализирующихся |
в области |
разработки и |
применения полупроводни |
||
ковых приборов. Она может |
быть полезна |
также |
студентам вузов. |
||
Ч |
3312-231 |
131-73 |
|
|
6 Ф 0 . 3 2 |
0 5 1 ( 0 1 ) - 7 3 |
|
|
© Издательство «Энергия», J973 Г>
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для современной промышленности электрическая энергия является одним из основных видов энергии. За последние семь лет более чем в два раза увеличилась мощность электростанций Советского Союза. Вместе с тем увеличивается также необходимость в преобразо вании переменного тока, вырабатываемого электростан
циями, особенно |
в. постоянный, так как |
потребность |
в последнем для |
нужд промышленности |
растет еще |
быстрее. При общем увеличении производства электро энергии более чем в два раза потребление электроэнер гии постоянного тока увеличивается в 12—15 раз. Сило-" вые полупроводниковые приборы благодаря целому ряду своих качеств — высокому к. п. д., исключительно малым габаритам, отсутствию старения и движущихся частей стабильности характеристик, высокой надежности и т. д.— дают возможность решать вышеизложенные задачи са мым оптимальным способом. Создание и промышленное освоение в СССР более десяти лет назад первых герма
ниевых « кремниевых |
вентилей произвели революцию |
в преобразовательной |
технике. |
Темпы роста отечественной силовой полупроводнико вой техники были так велики, что она в настоящее время вышла на передовые позиции в мире в этом направлении. Многие приемы, методики и результаты исследований си ловых полупроводниковых приборов используются те перь не только в СССР, но и в других странах для про изводства как силовых, так и маломощных приборов. Следствием такого развития является смена машинных, ионных и контактных преобразователей полупроводнико выми. В начальный период развития силовой полупро водниковой науки и техники селеновые, меднозакисные, германиевые, кремниевые приборы применялись в от дельных специальных отраслях преобразовательной тех ники. В настоящее время их практически полностью заме-
3
ш ли кремниевые силовые приборы, серийное произвол* ство которых позволило отказаться от ртутных выпрями телей для электролиза цветных металлов, электропоез дов, магистральных электровозов и т. д. Разработаны и внедрены в производство полупроводниковые преобразо ватели для возбуждения турбогенераторов, зарядки ак кумуляторных батарей, питания электролитических ванн,, гальванических цехов, питания тяговых подстанций, электролиза и химической промышленности, преобразо,- вателей частоты, трансформаторов постоянного тока,
инверторов и др.
Развитие силовой полупроводниковой техники в СССР
вначале базировалось на достижениях маломощной полупроводниковой электроники, но затем пошло само стоятельным путем. Первые отечественные силовые полу проводниковые вентили были разработаны в 1955 г. на
основе германия с применением |
сплавной технология |
в Физико-техническом'институте |
(ФТИ) им. А. Ф.Иоффе |
АН СССР. В 1959 г. в ВЭИ им. В. И. Ленина были из готовлены первые сплавные вентили на основе монокрис таллического кремния. С этого момента началось вытес нение германия кремнием, и в настоящее время практи чески все силовые приборы изготовляются на основе кремния. Применение кремния позволило расширить тем пературный диапазон использования силовых приборов, существенным образом увеличить обратные напряжения, повысить их эффективность. 1961 г. знаменуется разра боткой кремниевых вентилей с электронно-дырочным переходом, изготовленным методом диффузии, преиму щества которого для создания приборов с р-я-перехода- ми большой площади ранее всего были оценены учены ми ФТИ им. А. Ф. Иоффе и инженерами завода «Элек тровыпрямитель». Результатом их сотрудничества яви лась разработка в 1964 г. промышленного метода полу чения высоковольтных p-n-переходов путем диффузии алюминия в открытой атмосфере.
Этот метод, позднее распространенный на такие эле менты, как галлий, золото и др., в настоящее время вхо дит как составная часть в процесс изготовления почти каждого отечественного силового полупроводникового прибора.
В 1962 г. специалистами ФТИ им. А. Ф. Иоффе и за вода «Электровыпрямитель» была закончена разработка диффузионных тиристоров.
4
В 1963 г. впервые были изготовлены опытные образ цы нового полупроводникового прибора — симметричного тиристора или симистора, выполняющего функции ключа переменного тока.
Последние годы характеризуются появлением сило вых полупроводниковых приборов специального назна чения, например для работы в высокочастотных, импульсных, высоковольтных и других устройствах. В разработке и изготовлении этих приборов ведущее по ложение занимают коллективы ФТИ им. А. Ф. Иоффе,
ВЭИ им. |
В. I |
I . Ленина, Таллинского электротехническо |
го завода |
им. |
М. И. Калинина, завода «Электровыпря |
митель» и др..
Настоящая книга является обобщением результатов исследований силовых кремниевых приборов, проведен ных в СССР в последние годы.
• В книге изложены основы физических процессов, про текающих в силовых кремниевых диодах и тиристорах, приведены теоретические расчеты вольт-амперных харак теристик, переходных' процессов и процессов ударной ионизации. Большое внимание в книге уделено новому перспективному классу силовых тиристоров— симмет ричным тиристорам, подробно рассмотрены различные сложные структуры таких приборов. Необходимо подчерк нуть, что в основном материал книги оригинален и бази руется -на результатах исследований, проведенных авто рами и под их руководством. Книга, без сомнения, будет полезна для широкого круга студентов, инженеров и на учных работников, специализирующихся в области раз работок, исследований и применения силовых полупро водниковых приборов.
Следует отметить также, что результаты исследова ний, приведенные в книге, носят общий характер и при менимы к разработкам любых приборов на основе крем ниевых структур. Однако основной упор, естественно, сделан на свойства диффузионных структур с р-п-пере- ходами большой площади, являющимися в настоящее время основой силовых приборов.
Академик В. М. Тучкевич
t
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Последнее десятилетие характеризуется бурным раз витием силовых полупроводниковых приборов и все воз растающим применением их почти во всех областях на родного хозяйства.
Усилия инженеров и ученых, направленные на изу чение свойств кремниевых структур с р-п-переходами,' привели к созданию большого количества приборов с раз нообразными характеристиками, к примеру таких, как неуправляемые и управляемые вентили, симметричные управляемые вентили и переключатели, приборы с конт ролируемым лавинообразованием, стабилитроны и др. В последние годы разрабатываются силовые полупро водниковые приборы специального назначения, например для применения в высоковольтных, импульсных, высоко частотных и других устройствах.
Бурное развитие полупроводниковой техники, все уве личивающееся число модификаций полупроводниковых приборов, с одной стороны, и значительное расширение областей их применения — с другой ставит вопрос о на личии литературы, в которой достаточно полно и широко были бы рассмотрены вопросы, касающиеся принципов действия, свойств, методов конструирования, изготовле ния и расчета силовых вентилей.
Многочисленные опубликованные обзоры по целому ряду затронутых в настоящей книге вопросов вынудили
авторов |
отказаться от традиционного обзора |
проблемы |
в целом. |
Так, например, вопросы технологии |
изготовле |
ния многослойных структур затронуты в той мере, какая, по мнению авторов, необходима для расчетов параметроз полупроводниковых приборов. Явления в полупроводни ковых триодах рассмотрены в аспекте использования теории плоскостных триодов для анализа принципов действия р-я-р-я-структур.
В заключение авторы считают своим долгом выразить признательность акад. В. М. Тучкевичу за постоянное внимание и ценные советы, использованные при написа нии книги, доктору физ.-мат. наук В. И. Стафееву и канд. техн. наук В. И. Родову, просмотревшим рукопись и сделавшим ряд полезных замечаний.
Авторы будут благодарны читателям, пожелавшим прислать свои отзывы и замечания по книге в адрес из дательства: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая набереж ная, 10.
Авторы
Г л а в а п е р в а я
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1-1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЕЩЕСТВ
Электрические свойства полупроводникового крис талла, не содержащего примесей, зависят от свойств атомов, его составляющих, и от кристаллической струк туры материала.
Так как для изготовления силовых полупроводнико вых приборов в настоящее время применяют в основном кремний, то в данной книге рассматриваются только его свойства и применение для изготовления приборов. Кремний обладает электронным характером электропро водности в отличие от некоторых других полупроводников с электропроводностью ионного типа. Электронный ха рактер электропроводности обусловлен свойствами крис таллической структуры этого элемента.
Если к идеальному полупроводнику 'Приложить элек трическое поле, то под действием его электроны начина ют свободно двигаться. Скорость электрона v определя ется соотношением
|
|
-j-mnv' |
= qU, |
где |
U — пройденная |
электроном разность потенциалов; |
|
тп |
— эффективная |
масса |
электрона; ^ — абсолютная |
величина заряда электрона. Однако в реальных кристал лах движение электрона все время нарушается искаже ниями кристаллической решетки. Большое число таких искажений, статистически распределенных по кристаллу, рассеивает электроны. Основными рассеивающими фак торами являются тепловые колебания решетки и ионизи рованные атомы примеси. Следовательно, при приложе нии к реальному кристаллу электрического поля имеет место стремление электрического поля создать направ
7
ленное, движение и рассеивающее влияние искажений кристаллической решетки. В результате устанавливается некоторое динамическое равновесие, которое характеризу ется тем, что вся совокупность хаотически движущихся электронов перемещается вдоль поля с некоторой сред ней скоростью, пропорциональной полю. Электроны со вершают дрейфовое движение, которое является супер позицией движений в электрическом поле и хаотического теплового движения. До тех пор, пока скорость дрейфа мала по сравнению с тепловой скоростью, она пропор
циональна напряженности |
поля Е, |
т. е. v = \inE. |
Коэф |
||||||||||||
фициент пропорциональности |
цп |
|
называется |
подвиж |
|||||||||||
ностью |
и характеризует скорость |
|
движения |
электрона |
|||||||||||
по |
|
направлению |
|
поля. |
Измеряется |
подвижность |
|||||||||
в |
см2/(сек - в). Плотность |
электрического тока1 , |
связан |
||||||||||||
ного с дрейфом, определяется выражением |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
J n |
= qnv, |
|
|
|
|
|
(1-1) |
|
где q— заряд электрона; |
п — концентрация |
электронов, |
|||||||||||||
а |
удельная проводимость |
выражением |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
en |
= J„/E = qn\xn |
|
|
|
(1-2) |
|||||
и измеряется в (ом-см)~1. |
Величина, |
обратная |
прово |
||||||||||||
димости, называется |
удельным сопротивлением |
рп = сг п - 1 |
|||||||||||||
и измеряется в ом - см. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
При |
наличии |
сравнимых |
концентраций |
электронов |
||||||||||
и дырок в полупроводнике проводимость |
определяется |
||||||||||||||
двумя составляющими: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
o = qnnn + qp\ip, |
|
|
|
|
(1-3) |
|||||
где |
р — концентрация |
|
дырок; |
ц р |
|
подвижность |
дырок. |
||||||||
|
В |
так называемом |
«собственном» |
полупроводнике, |
|||||||||||
|
|
|
|
— |
|
|
|
|
|
||||||
где tii — pi = n = p, (1-3) |
превращается в |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
а = ^ ( ц „ |
+ (.1р). |
|
|
|
(1-4) |
|||||
|
При |
комнатной |
температуре |
|
для |
кремния |
ц,п = |
||||||||
= 1 300 |
см2/(сек |
- в) |
и |
ц р = 500 |
см2/(сек- |
в), |
т. е. |
ц п > Ц р . |
|||||||
|
1 |
Поскольку в |
дальнейшем рассматриваются |
одномерные моде |
ли структур полупроводниковых приборов, которые для упрощения
выражений |
имеют единичную площадь, плотность |
электрического |
|
тока численно равна току, |
протекающему через рассматриваемые |
||
структуры. |
Соответственно |
формулы типа (1 - 1) |
преобразуются |
в формулы, |
где вместо обозначения плотности тока |
/ используется |
|
обозначение |
величины тока |
/. |
|
8
Отсюда следует, что при наличии сравнимых концентра ций электронов и дырок проводимость кремния имеет электронный характер.
Подвижность электронов зависит от количества и характера рассеивающих факторов полупроводникового кристалла. Как было отмечено выше, рассеяние элек тронов при движении их в направлении поля в кремнии обусловлено в основном двумя причинами: тепловыми колебаниями атомов решетки и наличием ионизирован ных примесных атомов. Первый фактор играет основ ную роль при высоких температурах. При повышении температуры тепловые колебания решетки увеличивают ся и, следовательно, растет вероятность рассеяния элек тронов. Последнее обстоятельство приводит к уменьше нию подвижности электронов с ростом температуры пропорционально Т~312. При низких температурах ос новную роль играет рассеяние на ионизированных при месях, так как рассеяние от тепловых колебаний с уменьшением температуры сильно убывает. Расчеты
показывают, что в этом |
случае с уменьшением тем |
пературы подвижность |
уменьшается пропорциональ |
но Т3'2. |
|
Разумеется, при любой температуре имеют место оба фактора рассеяния. Таким образом, зависимость по движности от температуры имеет максимум. Положение его зависит от концентрации примесей. Чем она больше, тем более максимум сдвигается в сторону увеличения температуры. При концентрациях примесей в кремнии, используемых для изготовления полупроводниковых приборов, и при обычных рабочих температурах по движность с ростом температуры падает.
1-2. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Реальная кристаллическая решетка имеет множество нарушений пространственной структуры. Такими нару шениями могут быть посторонние атомы, микротрещи ны, пустые узлы решетки, атомы в междоузлиях. Боль шое влияние на электрические свойства полупроводни ков оказывают примеси других веществ.
Наибольший интерес в качестве примеси для крем ния представляют элементы третьей и пятой групп периодической системы. При введении таких примесей в полупроводник образуется твердый раствор замеще-
9