Глава 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ И ТРИОДНЫХ ТИРИСТОРОВ, НЕ ПРОВОДЯЩИХ В ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Разнообразие и специфика технических требований, режимов работы и условий применения силовых полупроводниковых преобразовательных устройств (ПУ) ведут к тому, что при разработке и эксплуатации этих устройств необходимо знать принцип действия и основные свойства и особенности применяемых для их комплектации силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Физические процессы, на которых основан принцип действия СПП и которые определяют его основные свойства, протекают в твердых кристаллических телах, материал которых называется полупроводником. Полупроводники характеризуются [1.1 — 1.4]:

электропроводностью, которая лежит в диапазоне , т. е. занимает промежуточное положение между электропроводностью металлов и диэлектриков и ниже;

возрастанием электропроводности в чистом полупроводнике с ростом температуры по сравнению с таковой металлов;

существенной зависимостью электропроводности в примесном полупроводнике от концентрации примеси;

увеличением электропроводности полупроводника при облучении светом или электронами высоких энергий, а также при инжекции носителей тока из металлического контакта; зависимостью типа проводимости от характера легирующей примеси.

Типичными полупроводниками являются кремний и германий, свойствами полупроводников обладает также ряд элементов, имеющих алмазоподобную кристаллическую структуру, такие, как бор, селен, теллур, висмут, мышьяк, сурьма. Полупроводниковыми свойствами обладают и ряд соединений: арсенид галлия, антимонид индия, сульфид цинка и т. п.

Наибольшее распространение в качестве материала для изготовления структур СПП получил кремний, практически полностью вытеснивший из этой области применения германий. Имеются разработки СПП на базе арсенида галлия и карбида бора [1.5].

Рассматриваемые силовые полупроводниковые выпрямительные диоды и триодные тиристоры (далее просто диоды и тиристоры), не проводящие в обратном направлении, изготовляют на базе монокристаллического кремния, легированного теми или иными примесями.

Для получения материала с повышенной концентрацией свободных электронов, обладающего преимущественно электронной проводимостью (полупроводник n-типа), в предварительно очищенный от случайных примесей монокристаллический полупроводник вводят донорную примесь — вещество с более высокой валентностью, чем у основного материала кристалла. Для кремния (валентность четыре) такими веществами могут быть пятивалентные фосфор или мышьяк.

Для получения материала с повышенной концентрацией положительных зарядов—дырок, обладающего преимущественно дырочной проводимостью (полупроводник p-типа), в предварительно очйщенный от случайных примесей полупроводник вводят акцепторную примесь — вещество с более низкой валентностью, чем основной материал монокристалла. Для кремния такими веществами могут быть трехвалентные бор, алюминий, индий.

В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, дырки — неосновными. В полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, неосновными — электроны.

Направленное перемещение электронов и дырок в полупроводнике приводит к возникновению электронного и дырочного токов. Причиной возникновения тока может быть градиент концентрации носителей того или иного типа либо электрическое поле, приложенное к полупроводнику. В первом случае ток называется диффузионным. Его плотность описывается следующим выражением [1.2]:

где — заряд электрона; — коэффициент диффузии электронов; — коэффициент диффузии дырок; n и p — плотность электронов и дырок соответственно.

Рис. 1.1. Упрощенная зонная структура кремния; эВ при .

Ток, возникающий под действием электрического поля , называют дрейфовым, и его плотность описывается следующим выражением [1.2]:

где — подвижность электронов и — подвижность дырок. Полная плотность тока носителей заряда в общем случае есть сумма диффузионного и дрейфового токов:

Следует иметь в виду, что носители зарядов диффундируют в направлении, противоположном градиенту концентраций, под действием электрического поля дырки дрейфуют по полю, а электроны — против поля.

Физические процессы, происходящие в диодах и тиристорах, в значительной степени определяются тем обстоятельством, что свободные носители заряда в полупроводнике могут иметь не произвольные, а вполне определенные значения энергии. Совокупности этих значений образуют энергетические зоны. На рис. 1.1 представлена наиболее существенная для понимания электрических характеристик диодов и тиристоров часть зонной структуры кремния. В частности, чтобы стать свободными и участвовать, например, в электрическом токе, электрон из валентной зоны должен перейти в зону проводимости. Для этого он должен преодолеть энергетический барьер, равный ширине запрещенной зоны . Следствием этого является экспоненциальная зависимость некоторых параметров полупроводника от температуры. Кроме того, если электрон в результате внешнего воздействия получает энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, то в валентной зоне появляется дырка, т. е. в полупроводнике образуется электронно-дырочная пара. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар.

В свою очередь, если электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, то электрон и дырка исчезают. Этот процесс называется рекомбинацией электронно-дырочных пар. Процессы генерации-рекомбинации играют принципиально важную роль в диодах и тиристорах. Они, в частности, определяют время жизни носителей заряда х, т. е. среднее время существования носителей заряда от момента их возникновения до момента исчезновения. Время жизни является одним из важнейших параметров диодов и тиристоров, так как от него в значительной степени зависят их статические и динамические характеристики.