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.

1.2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Основой всех СПП служит электронно-дырочный переход, или р-п переход, возникающий на границе полупроводников р- и и-типов. Электронно-дырочный переход обычно получается путем введения с поверхности на определенную глубину в я-полупроводник акцепторных примесей или в р-полупровод-ник донорных примесей, при этом образуются два слоя полупроводника р- и и-типов проводимости, граничащих между собой.

На рис. 1.2 схематично показан полупроводник с р-и-переходом. Так как концентрация дырок в о-области, где они являются основными носителями заряда [р, на много порядков превосходит их концентрацию в и-области, где они являются неосновными носителя1С1и (/>„), то возникает диффузионный ток дырок, направленный слева направо, при этом

: Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии и в состояниях прямого и обратного смешений ft 9

уход из /-области положительных дырок приводит к возникновению отрицательно заряженного слоя толщиной (так как заряд неподвижных атомов уже не уравновешивается подвижными носителями противоположного знака). Аналогично концентрация основных в и-области электронов п„ на много порядков превосходит их концентрацию в /-области Пр, вследствие чего возникает диффузионный поток электронов, направленный справа налево, и соответственно диффузионный ток электронов слева направо. Из-за ухода электронов из и-области в последней возникает слой нескомпенсированного положительного заряда толщиной w„. В итоге между электрически нейтральными р- и «-областями полупроводника образуется область объемного заряда (ООЗ) толщиной w+w. В этой области имеется электрическое поле, направленное справа налево (рис. 1.2), и соответственно возникает потенциальный барьер Афо- Существующее в ООЗ поле захватывает неосновные носители (дырки - в и-области, электроны-в 1-области) и перебрасывает их через р-п переход (дырки - в /)-область, электроны - в и-область). Это приводит к возникновению дрейфового тока, направленного справа налево. В состоянии равновесия (при отсутствии внешнего смешения) суммарный диффузионный ток электронов и дырок равен суммарному дрейфовому току электронов и дырок, а поскольку они текут в противоположных направлениях, то полный ток через р-п переход равен нулю. Если к р-п переходу приложено прямое напряжение (плюс-к р-спою, минус-к и-слою), то потенциальный барьер уменьшается до Ах/, и диффузионный ток слева направо становится больше, чем дрейфовый в обратном направлении. Если к р-п переходу приложить обратное

напряжение (плюс-к и-слою, минус-к /?-слою), то потенциальный барьер увеличится до Аф/г, и дрейфовый ток справа налево станет больше диффузионного в обратном направлении. Количественный анализ описанных процессов приводит к соотношению, связывающему плотность тока j, текущего через р-п переход, с приложенным к нему напряжением и [1.3]:

(1.1)

Мягкая характеристика

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика р-п перехода: i=h\e""-\\ так как kTlq=2S,9 мВ (при 300 К), то при t/бОмВ JKJsel, при

где js-константа материала; fc=l,38-10-" Дж/К [1.1]; Т-абсолютная температура.

Это соотношение называют вольт-амнерной характеристикой (ВАХ) идеального р-п перехода. Графическое изображение В АХ показано на рис. 1.3. Подчеркнем, что соотношение (1.1) описывает ВАХ р-п перехода при не слишком больших плотностях прямого тока и не слишком большом обратном напряжении. Не учитывает оно и влияние поверхностных эффектов на ВАХ. Более подробное обсуждение уравнения (1.1) можно найти в работах [1.2, 1.3].

1.3. СИЛОВОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ

диод

Силовой полупроводниковый выпрямительный диод (далее просто диод) представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из двух граничащих между собой слоев полупроводника дырочного р- и электронного «-типов, образующих один электронно-Дырочный переход (рис. 1.4). Стороны слоев полупроводниковой структуры, противоположные сторонам, образующим р-п переход, соединены с металлическими контактами, образующими внешние контактные выводы диода. Вывод, соединенный с р-слоем структуры, называется анодным выводом диода А, а вывод, соединенный с «-слоем структуры,-катодным выводом диода К. На этом же рисунке приведено символическое изображение диода.

В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии {р-п переход смещен в обратном направлении) и проводящем состоянии {р-п переход смещен в прямом направлении), при условии, что значения приложенного напряжения и протекающего тока будут находиться в допустимых пределах. При изменении полярности напряжения, приложенного к внешним выводам, диод может находиться в динамическом состоянии выключения (смещение р-п перехода изменяется с прямого на обратное) и в динамическом состояяии включения (смещение р-п перехода меняется с обратного на прямое). Реальный силовой диод имеет структуру, показанную на рис. 1.4, б. Рассмотрим (упрощенно) процессы, происходящие в диоде при различной полярности приложенного к нему напряжения.

Непроводящее состояние силового диода. Под воздействием обратного напряжения Vj в диоде происходит расширение ООЗ, которое продолжается до тех пор, пока падение напряжения в ООЗ не станет равным U,, при этом особенность силовых диодов такова, что расширение ООЗ происходит в основном в сторону низкоомной «-области, называемой