ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАРКОЛЕНКО ПАВЛО ЮРІЙОВИЧ

УДК 621.382:53

ПЕРЕМИКАННЯ В ТИРИСТОРНИХ СТРУКТУРАХ

ПРИ ВИСОКОМУ РІВНІ ІНЖЕКЦІЇ І ДІЇ ЗОВНІШНІХ ЧИННИКІВ

(СВІТЛО, МАГНІТНЕ ПОЛЕ, РАДІАЦІЯ)

05.27.01 – твердотільна електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Одеса – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики оптичного зв’язку Одеської національної академії зв’язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України.

Науковий керівник | доктор фізико-математичних наук, професор Вікулін Іван Михайлович,

Одеська національна академія зв’язку ім. О.С. Попова Міністерства транспорту та зв’язку України, завідувач кафедри фізики оптичного зв’язку.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Ащеулов Анатолій Анатолійович,

Інститут термоелектрики НАН та МОН України,

завідувач відділу термоелектричних явищ (м. Чернівці);

доктор фізико-математичних наук, професор Дроздов Валентин Олексійович,

Одеський інститут Сухопутних військ Міністерства оборони України, професор кафедри фізики.

Провідна установа | Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, кафедра напівпровідникової електроніки.

Захист дисертації відбудеться “ 27 “ 10 2006 р. у “ 14 “ годині на засіданні спеціалізованої Ради К 41. 052.03 при Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Одеського національного політехнічного університету, за адресою: 65044, м. Одеса, просп. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ 25 “ 09 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Андріянов О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Напівпровідникові p-n-p-n структури є основою тиристорів, що одержали широкий розвиток з часу їх винаходу (У. Шоклі, 1950 р.). Великий внесок в розробку фізичних основ дії тиристорних структур і їх конструювання внесли вітчизняні учені В. М. Тучкевич, В. Е. Челноков, І. В. Грехов, В. А. Кузьмін, В. А. Мокрицький і багато інших.

Велика частина теоретичних робіт присвячена розрахунку вольтамперних характеристик (ВАХ) тиристорних структур залежно від електрофізичних параметрів областей, що їх становлять. Проте в цих розрахунках не враховувалася така важлива особливість, як робота структур при високих рівнях інжекції носіїв заряду в базі структур. Перше масове застосування p-n-p-n структури знайшли в потужних тиристорах як керовані випрямлячі змінного струму. Останнім часом розширилося їх застосування в мікроелектроніці, зокрема, як фотоприймачі, оптрони. Методи розрахунку параметрів мікротиристорів під впливом зовнішніх випромінювань розвинені значно менше.

Більшість інтегральних схем складається з p-n-p або n-p-n транзисторів, виготовлених в напівпровідниковій пластині n або p-типу. Таким чином, виникає паразитна p-n-p-n структура, включення якої приводить до виходу схеми з ладу. Запобігання цьому ефекту є одним з найважливіших завдань інтегральної схемотехніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до плану прикладної держбюджетної НДР “Дослідження впливу зовнішніх факторів та електричних режимів на характер закономірностей відмов напівпровідникових структур і розробка методології їх прискорених випробувань на надійність (держ. реєстр №0100U002891).

Мета і задачі дослідження. Відповідно до вищевикладеного, мета роботи полягає в розробці методу розрахунку параметрів перемикання з урахуванням високого рівня інжекції і визначенні залежності параметрів перемикання від дії зовнішніх факторів (електричного і магнітного полів, оптичного випромінювання і радіації), з яких виходять рекомендації по розробці засобів усунення перемикання паразитних p-n-p-n структур в інтегральних схемах.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

· розрахунок параметрів переключення p-n-p-n структури з урахуванням залежності ширини області об'ємного заряду колектора від концентрації інжектованих носіїв заряду і залежності коефіцієнта передачі струму складових транзисторів від рівня інжекції носіїв з емітерів;

· розрахунок величини світлового потоку, що переключає фототиристор у провідне становище;

· розрахунок струму і напруги переключення p-n-p-n структури з польовим електродом у залежності від напруги на електроді;

· експериментальна перевірка отриманих залежностей.

Предмет дослідження – чотирьохшарові напівпровідникові p-n-p-n структури.

Об'єкт дослідження – процеси та механізми, які протікають в p-n-p-n структурах; засоби вдосконалення характеристик чотирьохшарових структур.

Методи дослідження. Для розв’язання перелічених задач у дисертації використані методи фізичного аналізу струмів в p-n-p-n структурах, комп’ютерного моделювання та сучасних методів обробки даних.

Обґрунтованість і достовірність результатів. Отримані в результаті моделювання параметри переключення слабкострумових p-n-p-n структур підтверджені експериментальною перевіркою. Експериментальні результати підтверджені даними вирішення відповідних електродинамічних задач.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що вперше:

· обґрунтовано методи розрахунку електричних параметрів переключення p-n-p-n структур при високому рівні інжекції носіїв в бази структури;

· визначено залежності струму і напруги переключення тиристора від величини світлового потоку (при освітленні колектора) чи від величини напруги на польовому електроді (при включенні електричним полем);

· розроблено фізичний механізм дії і конструкцію фотоприймача на основі чотирьохшарової структури з польовим електродом;

· запропоновано засіб усунення ввімкнення паразитних p-n-p-n структур в інтегральних транзисторних схемах;

· досліджено вплив радіації на напругу переключення p-n-p-n структур.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що отримана теоретична залежність електричних параметрів переключення p-n-p-n структур від електрофізичних параметрів матеріалу і зовнішніх електричних полів і світлових потоків, що можуть бути використані при розрахунку конструкцій промислових тиристорів і інтегральних схем з їх застосуванням. На основі отриманих результатів розроблений спосіб виявлення дефектів в інтегральних схемах (Патент України № 66535 А, МКИ G01R31/28, Бюл. №5, 2004.). Результати роботи упроваджені на підприємствах мінпромполітики, акти впровадження додаються.

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні експериментальних досліджень електрофізичних властивостей p-n-p-n структур. Здобувачу належать формулювання та вибір шляхів розв’язання задач, теоретичне обґрунтовування отриманих результатів, вибір методів та засобів дослідження об’єктів. За результатами роботи опубліковано 12 робіт. В роботах [2, 4, 7, 8] автором запропоновано фізичну модель переключення p-n-p-n структур, розроблено методи розрахунку порогового базового току, достатнього для переключення структури з високоомного в низькоомне становище, досліджено вплив рухливих носіїв заряду на ширину області просторового заряду колекторного переходу, показана необхідність створення градієнтів концентрації домішки, спрямованих до металургійної границі колекторного переходу, щоб виникнути переключення.

В роботах [3, 9, 10, 11] автором визначено умови включення p-n-p-n структур з допомогою польового електроду МОН – типу а також показана принципова можливість створення оптичного модулятора на базі тиристорної структури. В роботах [1, 12] було проведено аналіз нестаціонарного процесу перемикання та запропоновано засіб виявлення дефектів інтегральних схем.

Апробації результатів дослідження.

Матеріали дисертації доповідалися:

1. На III Міжнародній конференції з електрозв'язку, телевізійного і звукового віщання, м. Одеса, 9-12 вересня 1997 р.

2. На Міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засоби передачі і обробки інформації”, м. Одеса, 9-14 червня 1997 р.

3. На 1-му Міжнародному молодіжному форумі “Електроніка і молодь в XXI столітті”, м. Харків, 22-24 квітня 1997 р.

4. На II Міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засоби передачі і обробки інформації”, м. Одеса, 7-12 вересня 1998 р.

5. На III Міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засоби передачі і обробки інформації”, м. Одеса, 7-12 вересня 1999 р.

6. На V Міжнародній науково-практичній конференції “Системи і засоби передачі і обробки інформації”, м. Одеса, 4-9 вересня 2001 р.

Публікації. Зміст дисертації опублікований у 6 статтях в наукових журналах і 5 виданнях матеріалів конференції, а також в 1 патенті України на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертація обсягом у 127 стор. складається з вступу, 4-х розділів, висновків і списку літератури, включаючи рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність теми досліджень, сформульована її практична цінність, вказана новизна отриманих результатів.

У розділі 1 – “Переключення струму в тиристорних структурах (сучасний стан питання)” – зроблений огляд літератури з фізичних процесів переключення струму в p-n-p-n структурах, на підставі якого сформульовано мету роботи.

Головною особливістю p-n-p-n структури є те, що вона може знаходитися в двох станах – з високим опором (закрите) і низьким (відкрите). При включенні структури (у прямому напрямку відносно емітерних p-n переходів Є1 і Є2 на рис. 1а уся зовнішня напруга U падає на середньому протилежно зміщеному колекторному p-n переході К, опір якого великий. Структура знаходиться у високоомному стані. При подачі на один з емітерних p-n переходів через керуючий електрод прямого імпульсу струму інжектовані з p-n переходу носії заряду доходять до колектора і зменшують його опір. Відбувається перерозподіл зовнішньої напруги між p-n переходами – напруга на колекторі зменшується, а на емітерах збільшується. Це призводить до подальшого зростання інжекції носіїв з емітерів, ще більшому зменшенню опору колектора, наступному перерозподілу зовнішньої напруги і т.д. Такий внутрішній позитивний зворотний зв'язок по струму призводить до стрибкоподібного переключення p-n-p-n структури з закритого стану у відкритий.

У розділі 2 –“ Перехідний процес включення p-n-p-n структури” –досліджено динамічний процес ввімкнення p-n-p-n структури з урахуванням високого рівня інжекції і визначено порогове значення базового струму, що призводить до переключення структури у відкритий стан.

Схему для розрахунку параметрів переключення p-n-p-n структури наведено на рис. 1в. Вона являє собою звичайну модель з двох транзисторів p-n-p і n-p-n типу з паралельно з'єднаними колекторами з урахуванням того реального факту, що емітерні p-n переходи не ідеальні. Тому паралельно їм включені шунтуючі опори, які моделюють зворотний струм p-n переходу (витік струму по поверхні і т.д.).

Запропонована методика розрахунку порогових струмів p-n-p-n структури враховує динамічний характер переключення, що відрізняє її від стаціонарного підходу, коли оцінка струму утримання і напруги переключення проводяться на основі стаціонарних струмів [1, 2]. При описі процесу ввімкнення p-n-p-n структури необхідно враховувати той факт, що у відкритому стані два транзистори працюють при високому рівні інжекції носіїв заряду, коли спостерігається різке зменшення коефіцієнту підсилення струму в порівнянні зі значенням його при низьких рівнях струму. Високий рівень інжекції в транзисторах досягається при базових струмах, що нижче критичних, які відповідають переключенню структури. Основні рівняння для аналізу процесу переключення виходять з умови безперервності струму в двох базових вузлах еквівалентної схеми:

(1)

(2)

де індекси 1 і 2 відносяться до p-n-p і n-p-n транзисторів відповідно.

Вважаючи, що обидва транзистори працюють в активному режимі, і, застосовуючи правило Кірхгофа по черзі до верхнього і нижнього контурів схеми, можна одержати рівняння в більш зручній для аналізу формі:

(3)

(4)

де коефіцієнт підсилення струму в схемі з загальною базою,

(5)

Механізм позитивного зворотного зв'язку по струму може бути представлений у такий спосіб. Інжекція неосновних носіїв у базові області p-n-p-n структури призводить до спаду напруги на опорах RS і RW, що зміщує емітерні переходи в прямому напрямку. При подачі керуючого струму один з переходів відкривається, зростає колекторний струм відповідного транзистора і, отже, базовий струм закритого транзистора зміщує його емітерний перехід у прямому напрямку. Це у свою чергу веде до зростання колекторного струму відкритого транзистора, тобто реалізується позитивний зворотний зв'язок по струму. На певному етапі відкриється другий транзистор і настане стійка фаза процесу переключення.

Рис. 1. Схема p-n-p-n структури (а), її планарна конструкція (б) та двотранзисторний аналог (в)

Наявність керуючого струму n-бази , що викликає позитивний зворотний зв'язок по струму не завжди призводить до переключення. Для того, щоб процес переключення був необоротним, необхідно, щоб дія джерела струму, що запускає, була достатньою за тривалістю, для виконання нерівності:

(6)

де , ( пряме зміщення емітерного переходу, при якому p-n-p транзистор відкривається). Нерівність (6) означає, що базовий струм n-p-n транзистора може зростати внаслідок дії позитивного зворотного зв'язку й у тому випадку, коли дія керуючого струму припинилася, тобто .

Наявність шунтуючих опорів RS і RW обумовлює те, що колекторні струми і є різко зростаючими функціями і , відповідно. Тому можна вважати, що час відгуку на ввімкнення керуючого струму бази дорівнює сумі часів прольоту носіями заряду обох баз: . Реалізація позитивного зворотного зв'язку по струму в p-n-p-n структурі при керуючому струмі n-бази припускає, що похідна від колекторного струму за часом t повинна бути позитивною для всіх значень між нулем і значенням струму утримання. Тоді можна записати, що:

(7)

Для того, щоб оцінити похідну (7), вирішувалась самоузгоджена система рівнянь (3) (4), для p-n-p-n структури. У кожне з цих рівнянь, входять три невідомих: колекторний струм розглянутого транзистора , падіння напруги на емітерному переході VE і коефіцієнт підсилення по струму . Тому для однозначного визначення, наприклад, p-n-p транзистора вирішуємо таку систему рівнянь:

(8)

(9)

де ; коефіцієнт підсилення струму в схемі з загальним емітером при низькому значенні колекторного струму; порогове значення струму , вище якого B1 зменшується зі зростанням . Рівняння (9) фактично враховує наявність високого рівня інжекції в структурі.

Після того, як знайдено , аналогічна система рівнянь використовується для визначення величини струму колектора n-p-n транзистора як відгуку на зміну його базового струму. Тоді можна визначити збільшення і, отже, чисельник (7): . Оскільки базовий струм входить параметрично в (8), то пороговим значенням буде те, при якому чисельник (7) дорівнює нулю при визначеній величині .

Для знаходження струму перемикання ми склали системи рівнянь (10), (11) для кожного з транзисторів еквівалентної схеми, де рівняння для відображає спад коефіцієнта посилення у області малих струмів емітера, обумовлених рекомбінацією носіїв заряду в емітерному переході.

Для p-n-p транзистора при :

(10)

де - струм насичення емітерного переходу, - тепловий потенціал, - значення коефіцієнта посилення по струму за умови високого рівня інжекції, - напруга прямого зсуву емітера, при якому струм рекомбінації носіїв рівний інжекційному струму неосновних носіїв заряду.

Для n-p-n транзистора при :

(11)

Тоді порівнюючи значення, одержане з рішення системи рівнянь (11), з результатним , таким, що параметрично входить в систему рівнянь (10), набудемо значення приросту колекторного струму.

Вирішивши систему рівнянь (1011) з тими і , що параметрично

Рис. 2. Залежність від колекторного струму для різних значень : 1 1,87 мА; 2 1,88 мА; 3 1,8905 мА; 4 1,905 мА для RS = 510 Ом і

RW = 2000 Ом. Пунктиром дана крива: = 1,7385 мА, RS = 510 Ом і

RW = 3000 Ом

входять в неї, ми одержали сімейство кривих, по яких ми графічно визначаємо струм перемикання структури (похідна колекторного струму не повинна міняти знак на ділянці від 0 до значення струму утримання) рис 2.

З одержаних нами залежностей видно що, початок процесу перемикання істотно залежить від опору структури, зокрема, опорів тих, що шунтують емітерні переходи і, і опорів емітерних переходів і. Оскільки шунти управляють зсувом емітерів в прямому напрямку, то для запобігання переключення необхідно зменшувати шунтуючі опори.

Розрахунки величини порогового струму проводилися при таких значеннях величин: 0,54; 0,99; 510 Ом; 2000 Ом;  30 Ом; 40 Ом; 0,32 мА. Порогова величина базового струму складає 1,89 мА. При збільшенні RW до 3000 Ом значення зменшується до 1,74 мА. Урахування високого рівня інжекції, як випливає з наших розрахунків, призводить до зниження до 0,61 мА. Таким чином, величина порогового базового струму істотно залежить не тільки від варіацій шунтуючих опорів p-n-p-n структури, але і від умов інжекції неосновних носіїв у базові області [8, 9].

У цьому ж розділі шляхом рішення рівняння Пуассона визначена ширина області об'ємного заряду колекторного p-n переходу p-n-p-n структури з урахуванням впливу на неї інжектованих з емітерних переходів носіїв заряду. Показано, що зменшення ширини цієї області призводить до зниження вихідної величини напруги переключення (при відключенні керуючого електрода).

У третьому розділі –“ Методи запобігання замиканню в p-n-p-n структурах” – проаналізовано методи запобігання ввімкнення паразитних p-n-p-n структур в інтегральних схемах з біполярними транзисторами. Такі структури утворюються при виготовленні p-n-p транзисторів у пластині напівпровідника n-типу (чи n-p-n у p-типу). Ввімкнення структур призводить до різкого збільшення струму і виходу схеми з ладу, цей факт одержав назву “переключення” схеми. У роботі запропоновано методи боротьби з переключенням шляхом створення зворотного градієнта легуючих домішок у базах p-n-p-n структури, тобто концентрація донорів у n-базі зменшується в напрямку від колектора до емітера p-типу, а концентрація акцепторів у p-базі зменшується в напрямку від колектора до емітера n-типу. При цьому в базах утворюються вбудовані електричні поля, що перешкоджають руху інжектованих носіїв від емітерів до колекторів, а отже зменшуються коефіцієнти передачі струму складових транзисторів. Усе це послабляє внутрішній позитивний зворотний зв'язок по струму й усуває ефект переключення [7].

У четвертому розділі –“ Перемикання тиристорів зовнішніми електромагнітними полями” – розглянуто вплив зовнішньої дії (електричного і магнітного полів, світла та радіації) на процес переключення p-n-p-n структур.

Переключення p-n-p-n структур можна здійснити не тільки імпульсом струму через один з емітерних p-n переходів, але й імпульсом напруги на боковому польовому електроді, розташованому над поверхнею однієї з баз, наприклад p-типу на рис. 3а [10]. При позитивному потенціалі металевого електрода, відділеного від бази діелектриком, електричне поле відштовхує від її поверхні дірки і притягує електрони. В результаті при досягненні певної напруги в приповерхневому шарі може змінитися тип провідності й утворитися поверхневий канал з інверсною провідністю n-типу (на рис. 3 заштрихований), шунтуючий колекторний p-n перехід і зменшуючий її опір. Потім відбувається перерозподіл зовнішньої напруги убік збільшення його на емітерах, опір колектора зменшується ще більше за рахунок інжекції носіїв з емітерних переходів, починає діяти внутрішній позитивний зворотний зв'язок по струму і переключення відбувається також, як і в структурі на рис. 1.

Таким чином, різні засоби переключення p-n-p-n структури відрізняються один від одного лише механізмом забезпечення первісного стрибка зворотного струму колектора, а потім вступає в дію внутрішній позитивний зворотний зв'язок по струму, що завершує перехід структури у відкритий стан.

Рис. 3. Різні типи p-n-p-n-структур

Для дослідження розподілу потенціалу на колекторному переході n-p-n транзистора ми використовували модель, показану на рис. 4, де керуючий електрод грає роль інжектора рухомих носіїв заряду.

У роботі методом кінцевих різниць було вирішене двовимірне рівняння Пуассона (12) з граничними умовами (13-16) і отримано розподіл потенціалу рис. 5, на якому видно, що крива з найбільшим градієнтом потенціалу відповідає області з максимальною концентрацією рухомих носіїв заряду:

Рис. 4. Структура з польовим електродом

Рис. 5. Розподіл електричного потенціалу уздовж осі х для різних значень :

1 1,1; 2 1,15; 3 1,2; 4 1,25; 5 1,29; 6 1,325; 7 1,475; 8 1,575

(12)

граничні умови на омічних контактах :

(13)

На бічних сторонах МОН- транзистора були використані нульові граничні умови Неймана:

де m-зовнішня нормаль до межі.

На межі поділу оксид – напівпровідник С0 граничні умови мали вигляд:

(14)

(15)

(16)

де VG– значення потенціалу на затворі.

Таким чином, наявність рухомих носіїв заряду в базових областях тиристорної структури зменшує фізичну ширину ОПЗ колекторного переходу, утворюючи під затвором канал провідності.

Чисельний розрахунок для конкретних електрофізичних параметрів кремнію дозволив розрахувати розподіл напруженості електричного поля під електродом і показав, що глибина поверхневого каналу інверсної провідності складає біля 0,5 мкм [3]. Очевидною перевагою тиристора з польовим керуванням є високий вхідний опір і відсутність струмоспоживання в ланцюзі керування.

Первісний стрибок струму колектора для переключення p-n-p-n структури у відкритий стан можна забезпечити і висвітленням колектора (рис. 3б). Такі прилади називаються фототиристорами. Роль керуючого базового струму в цьому випадку виконує фотострум колекторного переходу. Для розрахунку мінімальної величини фотоструму, що переключає структуру, розв’язували рівняння виду (1) (2), з урахуванням того, що фотоструми обох баз рівні (при висвітленні колектора генеровані світлом дірки переносяться з n-бази в p-базу, а електрони – з p-бази в n-базу) [4]. Зв'язок фотоструму з інтенсивністю світла визначається відомими формулами для фотоструму p-n переходу.

Фототиристор, представлений на рис. 3б, використовується як перемикач, керований світлом. Не менш важливі для практичних застосувань і аналогові фотоприймачі, тому що струм, який проходить через них, є плавною функцією інтенсивності світла. Як такий фотоприймач нами запропонована структура, що показана на рис. 3в. Вона являє собою p+-n перехід з довгою базою, на поверхні якої розташований польовий електрод. При негативному потенціалі електрода щодо n-бази напроти нього утвориться область збіднена рухливими носіями заряду, як і в польовому МДН-транзисторі. При досить тонкій n-області, збіднена область може її цілком перекрити і таку структуру можна розглядати як чотирьохшарову p-n-i-n структуру, де роль високоомної області колектора звичайної p-n-p-n структури виконує i-область. При використанні структури такого типу в якості фотоприймача у ній також діє позитивний зворотний зв'язок по струму, що підсилює фоточутливість. Якщо направити промінь світла на збіднену область, у ній генеруються рухливі носії заряду, що забезпечують протікання струму по вузькому каналу поблизу поверхні. При цьому опір i-області зменшується, що призводить до перерозподілу зовнішньої напруги на структурі убік росту напруги на p+-n переході. Інжектовані з нього носії додаються до носіїв, утворених випромінюванням, а збільшення їхньої концентрації призводить до зменшення ширини збідненої області і розширенню каналу струму [11]. Це призводить до подальшого збільшення інжекції з p+-n переходу і т.д. При певній напрузі така структура може також перемикатися з высокоомного стану в низькоомне. Але при напругах, у 2 – 3 рази менші за напруги переключення, струм плавно зростає зі збільшенням інтенсивності світла і структура може бути використана як аналоговий фотоприймач. У роботі приведені теоретичні оцінки величини напруги переключення й експериментальні значення коефіцієнта підсилення фотоструму, що досягають 50–100.

Величиною напруги переключення p-n-p-n структури можна керувати і зовнішнім магнітним полем. На рис. 3г показана p-n-p-n структура в поперечному магнітному полі. При зазначеній полярності індукції магнітного поля B сила Лоренца відхиляє інжектовані з анода дірки в глиб n-бази, їхній шлях до колектора подовжується, що призводить до зменшення коефіцієнта передачі струму p-n-p складового транзистора, ослабленню зворотного зв'язку і зростанню напруги переключення. При зворотній полярності В магнітне поле відхиляє носії в протилежну сторону і напруга переключення зменшується. У роботі описано застосування магнітокерованого тиристора для створення випрямляча змінного струму, у якому зовнішнє магнітне поле дозволяє не тільки керувати величиною випрямленого струму, але і здійснювати переключення струму з одного ланцюга в інший [5]. Одним з найефективніших практичних застосувань такого тиристора є створення безколекторного електродвигуна постійного струму, що значно поліпшує всі його характеристики.

У заключній частині цього розділу проведена оцінка впливу радіації на характеристики p-n-p-n структури. Показано, що нейтронне опромінення створює структурні дефекти в базі і зменшує час життя неосновних носіїв заряду t і коефіцієнт передачі струму складових транзисторів, що призводить до збільшення напруги переключення. Експериментально показано, що при наявності у вихідній p-n-p-n структурі дефектів напівпровідника гамма-випромінювання дозою до 107 Р може їх руйнувати, що призводить до збільшення t і коефіцієнта передачі струму, а значить до зменшення напруги переключення [6]. Таким чином, різні види радіації можуть бути використані як технологічний засіб створення тиристорів з необхідною величиною напруги переключення.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Розроблено методику розрахунку величини струму переключення p-n-p-n структури в динамічному режимі, що враховує залежність коефіцієнта передачі струму від рівня інжекції.

2. Урахування концентрації інжектованих носіїв при рішенні одномірного рівняння Пуассона дозволило встановити, що вони істотно впливають на розміри області просторового заряду колектора p-n-p-n структури. Це забезпечує можливість зміни напруги переключення певним вибором електрофізичних параметрів p і n областей.

3. Запропоновано й експериментально перевірено метод усунення ввімкнення паразитних p-n-p-n структур у транзисторних інтегральних схемах шляхом створення градієнтів концентрації легуючих домішок у базах, спрямованих від колектора до емітера.

4. Рішення двомірного рівняння Пуассона дозволило встановити зв'язок між напругою на польовому електроді в поверхні баз p-n-p-n структури і шириною струмопровідного каналу під ним, що дозволяє здійснити польове керування напругою переключення.

5. Обґрунтовано методику розрахунку мінімальної величини імпульсу світла необхідного для переключення фототиристора. Показано, що чотирьохшарова структура може бути використана не тільки як перемикач, керований світлом, але і як аналоговий фотоприймач із внутрішнім підсиленням фотоструму.

6. Експериментально показано, що опромінення p-n-p-n структур потоком нейтронів, гамма-квантів може змінювати вихідну величину напруги переключення, що дозволяє використовувати радіацію як технологічний засіб при виготовленні тиристорів із заданою напругою переключення. Розроблені лабораторні зразки мікросхем, що містять тиристори, які дозволяють створювати на їхній основі випрямлячі змінного струму, керовані зовнішнім магнітним полем.

Основні результати дисертації опубліковані в працях:

1. Марколенко П.Ю. Переходный процесс переключения p-n-p-n структуры // Информатика и связь. – 1998. – № 1. – С.175-177.

2. Марколенко Ю.К., Викулин И.М., Марколенко П.Ю. Пороговый базовый ток переключения p-n-p-n структуры // Фотоэлектроника. – 1999. – Вып. 8. – С. 104-106.

3. Марколенко Ю. К., Марколенко П. Ю. Особенности переключателей на основе p-n-p-n структуры // Наукові праці УДАЗ ім. О. С. Попова. – 2001. – № 1. – С. 15-17.

4. Марколенко Ю.К, Викулин И.М., Марколенко П.Ю. Аналитическая модель переключения фототиристора // Фотоэлектроника. 1999. Вып. 8. С. 91-92.

5. Викулина Л. Ф., Марколенко П. Ю. Магнитоуправляемый выпрямитель переменного тока на основе тиристоров // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2001. – №1. – С. 16-17.

6. Викулина Л. Ф., Марколенко П. Ю., Шевчук О. Б. Действие радиации на чувствительность магнитотранзисторов из высокоомного кремния // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2000. – № 5-6. – С. 50-51.

7. Викулин И.М., Марколенко Ю.К., Марколенко П.Ю. Cтабильность переключательной характеристики КМОПИС // Труды III Междунар. конф. по электросвязи, телевизионному и звуковому вещанию. 1997. С. 385387.

8. Марколенко Ю.К., Марколенко П.Ю. Критический базовый ток переключения p-n-p-n структуры // Материалы международной научно-практ. конф. "Системы и средства передачи и обработки информации". – 1997. – С. 50.

9. Викулин И.М., Марколенко Ю.К., Марколенко П.Ю. Исследование p-n-p-n структуры на основе транзисторного эквивалента // Труды II международной научно-практ. конф. "Системы и средства передачи и обработки информации". – Одесса, 1998. – С. 201.

10. Викулин И.М., Марколенко Ю.К., Марколенко П.Ю. Включение тиристорной структуры, управляемой полевым электродом// Труды III международной научно-практ. конф. "Системы и средства передачи и обработки информации". – Одесса, 1999. – С. 69.

11. Ирха В.И., Макаренко Г.В., Марколенко П.Ю. Управление световыми потоками в полупроводниковых модуляторах // Труды V международной научно-практ. конф. "Системы и средства передачи и обработки информации". – Одесса, 2001. – С. 67.

12. Викулин И.М., Марколенко П.Ю. Способ выявления деффектов интегральных схем // Патент України № 66535 А, МКИ G01R31/28, Бюл. №5, 2004.

Марколенко П.Ю. Перемикання в тиристорних структурах при високому рівні інжекції і дії зовнішніх чинників (світло, магнітне поле, радіація).– Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2006.

Дисертація присвячена вивченню процесів переключення напівпровідникових p-n-p-n структур та впливу на них електричних і магнітних полів, світла та радіації.

Захищається наукова праця, в якій розглядаються фізичні і математичні моделі p-n-p-n структур. Досліджений динамічний процес вмикання p-n-p-n структури з урахуванням значення базового струму, який приводить до переключення структури у відкритий стан. Надана загальна характеристика методів запобігання вмикання паразитних p-n-p-n структур в інтегральних транзисторних мікросхемах. Вирішується двомірне рівняння Пуассона з метою визначення зв’язку між потенціалом на електроді та шириною струмопровідного каналу, який з’єднує один з емітерів p-n-p-n структури з базою другого емітера.

Розглянутий засіб переключення фототиристора зовнішнім випромінюванням і розрахована величина мінімального імпульсу світла, достатнього для переключення. Досліджена дія радіації на параметри переключення p-n-p-n структур. Описана схема випрямляча змінного струму на основі тиристора, який керується зовнішнім магнітним полем.

Ключові слова: p-n перехід, p-n-p-n структура, пороговий струм, коефіцієнт передачі струму, зворотний зв’язок по струму, напруга переключення, транзистор, тиристор область об'ємного заряду.

Марколенко П.Ю. Переключение в тиристорных структурах при высоком уровне инжекции и действии внешних факторов (свет, магнитное поле, радиация).– Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01-твердотельная электроника.– Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2006.

Диссертация посвящена изучению процесса переключения полупроводниковых p-n-p-n структур и влиянию на них электрических и магнитных полей, света и радиации.

Защищается научная работа, в которой рассматриваются физические и математические модели p-n-p-n структур. Исследован динамический процесс включения p-n-p-n структуры с учетом высокого уровня инжекции и определено пороговое значение базового тока, приводящего к переключению структуры в открытое состояние. Рассмотрено изменение напряжения на коллекторном переходе под влиянием подвижных носителей заряда и показано, что определенным выбором электрофизических и геометрических параметров p и n областей можно как уменьшать ток и напряжение переключения, так и увеличивать его. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие теоретические выводы. Дана общая характеристика методов предотвращения включения паразитных p-n-p-n структур в интегральных транзисторных микросхемах. Показано, что оптимальным решением этой проблемы является создание встречных градиентов легирующей примеси в базах по обе стороны коллекторного перехода. В этом случае образующиеся в базе встроенное электрическое поле препятствует движению инжектированных носителей, что уменьшает коэффициент передачи тока, а соответственно, увеличивает пороговое напряжение и ток переключения. Решается двумерное уравнение Пуассона с целью определения связи между потенциалом на полевом электроде и шириной токопроводящего канала, соединяющего один из эмиттеров p-n-p-n структуры с базой у другого эмиттера. Рассмотрен способ переключения фототиристора внешним излучением и рассчитывается величина минимального импульса света, достаточного для переключения. Показано, что четырехслойная структура с полевым электродом может быть использована не только как переключатель, управляемый светом, но и как аналоговый фотоприемник с внутренним усилением фототока. Исследовано действие радиации на параметры переключения p-n-p-n структур. Показано, что облучение потоком нейтронов или гамма квантами может изменять исходную величину напряжения переключения, что позволяет использовать радиацию в качестве технологического способа при изготовлении тиристоров с заданным напряжением переключения. Показана связь между изменением параметров и изменением электрофизических характеристик материала. Описана схема выпрямителя переменного тока на основе тиристора, управляемого внешним магнитным полем. Продемонстрировано, что магнитное поле может не только управлять величиной выпрямленного тока, но и переключать ток из одного канала в другой.

Ключевые слова: p-n переход, p-n-p-n структура, пороговый ток, коэффициент передачи тока, обратная связь по току, напряжение переключения, транзистор, тиристор, область пространственного заряда.

Markolenko P.Yu. Switching in thyristor structures at a high level of injection and action of the external factors (light, magnetic field, radiation). – Manuscript.

Dissertation on competition of a scientific degree of сandidate of engineering sciences on a speciality 05.27.01-solidstate electronics. – the Odessa national polytechnic university, Odessa, 2006.

The dissertation is devoted to study of process of switching semi-conductor p-n-p-n structures and influence on them of electrical and magnetic fields, light and radiation.

The scientific work is protected, in which the physical and mathematical models p-n-p-n structures are considered. The dynamic process of inclusion p-n-p-n structures is investigated in view of a high level of injection and the threshold meaning of a base current resulting in switching structures in an open condition is determined. The general characteristic of methods of prevention of inclusion parasitic p-n-p-n structures in integrated transistor microcircuits is given. Is solved the equation Puasson with the purpose of definition of connection between potential on a field electrode and width of the channel connecting one of emitters p-n-p-n structures to base at other emitter. The way of switching fototiristors by external radiation is considered and the size of the minimal pulse of light, sufficient switching pays off. The action of radiation on parameters of switching p-n-p-n structures is investigated. The circuit of the rectifier of an alternating current on a basis of tiristors, controlled by an external magnetic field is described.

Key words: p-n transition, p-n-p-n structure, threshold current, coefficient of transmission of current, feed-back on a current, voltage of switching, transistor, tiristor, region of spatial charge.