в табл. 3.1 приведены некоторые параметры кремния, германия и арсенида галлия. Арсенид галлия обладает рядом явных преимуществ по сравнению с другими материалами. Речь идет о его высоких подвижности и температуре плавления, а также большей ширине запрещенной зоны, позволяющей работать при высокой температуре. Высокая подвижность электронов обуславливает низкое сопротивление тиристора во включенном состоянии.

Главными недостатками GaAs являются, во-первых, малое время жизни неосновных носителей, которое хотя и обеспечивает быстрое переключение, но повышает напряжение в открытом состоянии, и, во-вторых, высокая стоимость приборов, выполненных на его основе. Тиристоры на основе кремния, например, значительно дешевле, а технология их изготовления гораздо проще. Использование GaAs, вероятно, все-таки имеет определенную перспективу, если преодолеть некоторые технологические трудности. Однако на сегодняшний день имеется лишь несколько сообщений о тиристорах, изготовленных на основе этого материала [Alferov е. а., 1978].

Другим полупроводником с большой подвижностью носителей является германий, но его применение ограничено из-за высокой собственной концентрации носителей и малой ширины запрещенной зоны. Малая ширина запрещенной зоны приводит к большой утечке тока при повышении температуры, а собственная концентрация носителей ограничивает напряжение лавинного пробоя. Низкая температура плавления не позволяет получить переходы с большой глубиной диффузионного слоя. В германии легко формируется сплавной р - -переход, что используется для диодов, но неприемлемо для тиристоров.

Кремний - это полупроводник с высокой температурой плавления, низкой собственной концентрацией носителей, умеренно широкой запрещенной зоной и высоким временем жизни носителей заряда. Подвижность носителей в кремнии уступает по абсолютному значению как германию, так и арсениду галлия, что приводит к большему падению напряжения во включенном состоянии. Как бы то ни было, это адекватно компенсируется большим временем жизни неосновных носителей и хорошими термическими свойствами материала. Кроме перечисленных преимуществ кремния существует современная промышленная технология его изготовления и возможность введения фосфора методом нейтронной трансмутации (см. гл. 5).

Процесс легирования кремния с помощью нейтронной трансмутации ограничивается кремнием п-типа, так как в этом случае образуется только примесь фосфора. Однако это обстоятельство не создает никаких дополнительных проблем, поскольку большинство тиристоров большой мощности производится из кремния п-типа. Из такого материала легче образовать глубокий диффу-62

зионный слой р-типа, используя быстродиффундирующие примеси, например галлий или алюминий. Заметим также, что время жизни неосновных носителей заряда в кремнии -типа больше, i- чем в кремнии р-типа (см. § 3.2).

Исходя из вышеизложенного в качестве материала для тиристоров больше всего подходит кремний. Изготовители получают : кремний методом зонной плавки с ориентациями (111) и (100). Ориентация (100) неприменима, когда используются сплавные контакты с эвтектическим силумином, поскольку в приборах большой мощности может происходить неравномерное проникновение А1 с этих контактов в кремний. I Наконец, следует выбрать тип легирующей примеси и толщи-I ну материала. Применительно к кремнию в качестве основного L параметра предпочтительно выбирают сопротивление, а не уро-? вень концентрации примеси, так как сопротивление может быть I, легко измерено.

Удельное сопротивление р. Ом-см, определяется как коэффициент пропорциональности между током и напряженностью электрического поля в материале из выражения

Е = р1. (3.1)

Для полупроводника сопротивление зависит от концентрации и подвижности как электронов, так и дырок. Поэтому

Р=-\- (3.2)

Из уравнения (3.1) видно, что сопротивление обратно пропорционально концентрации носителей. Однако концентрации носителей и примеси не одинаковы, так как при заданной температуре не все доноры и акцепторы примеси могут быть ионизированы. Зависимость удельного сопротивления от концентрации примеси, вычисленная для кремния, легированного фосфором [Thurber е. а., 1981], приведена на рис. 3.1.

В § 2.2 показано, как прямое и обратное напряжения пробоя зависят от напряжения лавинного пробоя и суммарных коэффициентов передачи двух составных транзисторов а р и арпр см. уравнения (2.7) и (2.16)]. Напряжение лавинного пробоя определяется в основном концентрацией доноров в -базе и, следовательно, ее удельным сопротивлением. Коэффициенты передачи транзисторов арпр и а р в значительной степени определяются эффективной толщиной базы транзистора. Поэтому толщина кремния и концентрация донорной примеси в -базе определяют напряжение пробоя транзистора.

Вопросы конструирования тиристора на заданное напряжение пробоя, т. е. выбор толщины кремния и концентрации доноров, подробно обсуждаются в § 33 Однако следует отметить, что в основном для мощных тиристоров используется слой крем-

WOOD г

КоицЕитрация примеси,

Кониентрация примеси, см

Рис. 3.1. Зависимость удельного сопротивления при 300 К от концентрации примеси для кремния я-типа: а - Nb= ЮН- Ю см- б - /Vb= ЮН- см- =

НИЯ толщиной ОТ 300 до 1000 мкм с удельным сопротивлением 50-300 Ом-см.

Рассмотрим теперь время жизни неосновных носителей заряда в кремнии. Поскольку оно влияет на такие важные характеристики прибора, как его утечки, напряжение в открытом состоянии и время выключения, этот параметр также необходимо учитывать при изготовлении тиристора.

3.2. Время жизни неосновных носителей заряда

Если в полупроводнике имеется избыток носителей, обусловленных, например, инжекцией или тепловой генерацией, то предполагается, что при тепловом равновесии инжекция или генерация носителей уравновешивается процессами рекомбинации.

Рекомбинация электронов и дырок может происходить через переходы зона - зона, а также глубокие примесные уровни или ловушки. Такая рекомбинация характеризуется временем жизни неосновных носителей заряда, которое в первом приближении определяется отношением избытка плотности заряда неосновных носителей к скорости рекомбинации G. Например, для дырок в кремнии п-типа время жизни неосновных носителей заряда p-P/G, где р - средняя плотность инжектированных дырок. Время жизни неосновных носителей заряда для ловушек плотностью Л, с одним уровнем энергии Ei в запрещенной зоне кремния [Ghandi, 1977]