книги из ГПНТБ / Челноков В.Е. Физические основы работы силовых полупроводниковых приборов

В. 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

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

© 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

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

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

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,

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

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

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

ли структур полупроводниковых приборов, которые для упрощения

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

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