РАЗДЕЛ 2
ПЕРЕХОДНЫЙ ПРОЦЕСС ВКЛЮЧЕНИЯ P-N-P-N СТРУКТУРЫ
2.1. Расчет порогового базового тока переключения тиристорной структуры
Переключение тиристорной структуры из закрытого состояния в открытое по своей
природе является переходным процессом. При переходном процессе токи и
напряжения в структуре меняются в значительных пределах и уровень инжекции
неосновных носителей заряда в базовых областях изменяется от малого до
большого.
При описании характеристик биполярного транзистора, как правило, не акцентируют
внимание на условии высокого уровня инжекции. Тем не менее, в открытом
состоянии через прибор протекают токи большой величины, таким образом, оба
транзистора работают при высоком уровне инжекции носителей заряда [8], когда
наблюдается резкое уменьшение коэффициента усиления по току по сравнению со
значением его при низких уровнях тока. Высокий уровень инжекции в транзисторах
достигается при базовых токах, которые ниже критических, отвечающих
переключению структуры.
Нами исследован динамический процесс включения р-n-р-n структуры с учетом
уровня высокой инжекции и определено пороговое значение базового тока,
приводящего к переключению структуры в открытое состояние.
Исследуемая структура согласно двухтранзисторной модели, представлена на рис.
2.1 [63]. Тогда n-p-n транзистор (Т2) является вертикальным прибором, а p-n-p
транзистор (Т1)-горизонтальным.
Рис. 2.1. Планарная структура (а) и эквивалентная схема двухтранзисторной
модели p-n-p-n структуры (б): А – анод, К – катод, У – управляющий электрод
Коэффициент усиления тока вертикального транзистора обычно считается намного
больше, чем горизонтального транзистора [36], поэтому следует ожидать, что
импульс тока в p-кармане будет более эффективным источником запуска, чем
аналогичный импульс в n-подложке.
Соотношение между током базы и током коллектора транзистора при условии
высокого уровня инжекции имеет вид [19]
(2.1)
где B – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером при низких
значениях тока, – пороговое значение тока коллектора, выше которого коэффициент
B уменьшается с ростом .
При рассмотрении динамики процесса включения p-n-p-n структуры
будем использовать двухступенчатую активационную модель перехода из
высокоомного в низкоомное состояние [64]. Эта модель допускает, что эмиттерные
p-n переходы являются идеальными диодами, то есть, нет обратного тока
насыщения, а включение резкое при прямом смещении эмиттерного перехода UЭ = UП.
Поэтому транзистор предполагается полностью закрытым при U Э < UП. После того,
как транзистор откроется при UЭ = UП, это прямое смещение остается постоянным
на всем протяжении активного режима.
В течение первой стадии включения после подачи импульса тока в базу n-p-n
транзистора при t=0, включается только n-p-n транзистор, тогда как p-n-p
транзистор остается в закрытом состоянии. Согласно транзисторной модели базовый
ток n-p-n транзистора с учетом времени пролета базы дается в схеме с общим
эмиттером следующим выражением
(2.2)
где, , – значение для n-p-n транзистора, RW –сопротивление p-кармана,
шунтирующее переход эмиттер – база. Ток коллектора согласно (2.1) найдем в
виде:
(2.3)
Индексом 2 согласно рис. 2.1 обозначили параметры, связанные с n-p-n
транзистором. Тогда полный ток I через структуру определяется выражением
(2.4)
С течением времени коллекторный ток увеличивается согласно (2.3). Когда падение
напряжения на сопротивлении RS шунтирующем эмиттер достигнет пороговой величины
( для p-n-p транзистора) вследствие роста, p-n-p транзистор откроется.
Обозначая это время через t1, с учетом получим
(2.5)
Для времени t і t1 начинается вторая стадия переключения. В этом
случае выражение (2.2) после включения тока, положительной обратной
связи, которым является коллекторный ток p-n-p транзистора, станет
следующим:
(2.6)
Базовый ток p-n-p-транзистора определим подобно (2.6):
(2.7)
где t1 - время пролета базы p-n-p транзистора носителями заряда.
Коллекторный ток , как и раньше, определяется соотношением
(2.3), а коллекторный ток , p-n-p транзистора – выражением:
(2.8)
Индекс 1 обозначает параметры, связанные с p-n-p транзистором. Полный ток через
структуру на этой стадии будет равен
(2.9)
Если при значении t = tn > t1 выключить источник, стимулирующий включение
p-n-p-n структуры, то это равносильно тому, что в (2.9) надо положить.
Следует отметить, что действие положительной обратной связи приводит к
переключению в том случае, когда запускающий ток достаточно велик, чтобы
удовлетворить условию:
(2.10)
а время действия источника запускающего тока tn достаточно по
продолжительности, чтобы выполнилось неравенство
(2.11)
Последнее условие получается из (2.6), когда базовый ток n-p-n транзистора
может возрастать вследствие действия положительной обратной связи при. Базовый
ток всегда положителен для t > t1 независимо от . Для самоподдерживающегося
процесса переключения необходимо, чтобы оба транзистора были открыты.
Минимальное значение импульса тока продолжительностью , необходимое для
переключения определяется условием. Эквивалентно ми