автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование и исследование полупроводниковых структур с отрицательным дифференциальным сопротивлением и приборов на их основе

% '' На правах рукописи

\

НОВИКОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ -диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск - 1998

Работа выполнена на кафедре микроэлектроники

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук, профессор Гурин Нектарий Тимофеевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Кравченко Лев Николаевич

Кандидат технических наук, доцент Соломин Борис Александрович

Ведущая организация: ОАО "Орбита", г. Саранск

Защита состоится "27 ноября 1998 г." в "15.00" час. на заседании диссертационного Совета К 053.37.04 при Ульяновском государственном университете по адресу: 432700, г. Ульяновск, ул. Л.Толстого, 42.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан " <2 ^ г^З^&л' /^Л/"»

Ученый секретарь диссертационного Совета к.т.н., доцент

Бакланов С.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Полупроводниковые структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) обладают рядом уникальных свойств, стимулирующих поиск конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных и микроэлектронных устройств на их основе. В последнее время весьма перспективным становится применение приборов с Б- и И-образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) различного уровня мощности в средствах телекоммуникаций, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатики, слаботочной автоматики из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности.

Анализ существующей литературы по вопросам применения приборов с ОДС 3- и М-типов позволил определить два основных направления их разработки, моделирования и исследования.

Первое из этих направлений касается моделирования и исследования полупроводниковых приборов с симметричными ВАХ Б-типа - симисторов, МДП-симисторов и симисторных оптопар малой и средней мощности. Такие приборы обладают планарной структурой, и, как следствие, простотой управления параметрами ВАХ с помощью электрического поля и светового воздействия, высоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, что значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет использовании в различных узлах электронной аппаратуры.

Второе направление связано с разработкой приборов большой мощности, имеющих ВАХ КГ-типа. Широкие перспективы применения подобных приборов для создания мощных низко- и среднечастотных генераторов, элементов защиты узлов электронной аппаратуры и электробытовой техники (самовосстанавливающихся предохранителей), а также для создания мощных комбинированных полупроводниковых приборов с защитой от пробоя определяют необходимость решения задачи их моделирования и исследования.

Таким образом,'задача разработки, моделирования и исследования структур с ВАХ Б- и №типов, приборов и устройств на их основе является актуальной, имеющей важное значение для твердотельной электроники и микроэлектроники.

Целью работы является реализация моделей и исследование основных параметров многослойных полупроводниковых структур с ОДС Б- и И-типов, а также приборов и устройств на их основе.

Для достижения указанной цели в работе решались задачи:

1. Реализация моделей и получение аналитических выражений для основных статических и динамических параметров планарно-диффузионных симисторов (ПДС) и приборов на их основе.

2. Схемотехническое проектирование ПДС.

3. Реализация физических и математических моделей формирования участк; ОДС на ВАХ у биполярно-полевых Ы-приборов.

4. Поиск эффективных методов повышения мощности биполярно-полевых N приборов.

5. Создание на базе биполярно-полевых структур мощных приборов защитой от перенапряжений.

6. Реализация моделей Ы-приборов с симметричными ВАХ.

7. Исследование механизмов объемной связи в линейках и модуля; интегральных тиристоров и симисторов и реализация адекватных м о деле) протекающих в них процессов при различных режимах работы.

8. Расширение функциональных возможностей устройств на основе приборо] с объемной связью за счет поиска новых режимов работы и мегодо] управления.

Научная новизна.

1. Получены аналитические соотношения, пригодные для расчета основны; статических параметров ПДС - напряжения переключения, рабочего тока I остаточного напряжения.

2. Разработана математическая модель процессов включения и выключение оптопар на основе ПДС, учитывающая инерционность излучающего диода обусловленную нелинейным характером его работы, и динамически« свойства ПДС.

3. Предложена новая модель ПДС на основе трехтранзисторной схемь замещения, позволяющая адекватно описать интегральные структурь симисторов, а также управляемых приборов симисторного типа.

4. Разработаны и исследованы трехтранзисторные схемы замещенш управляемых приборов с симметричными Э-образными ВАХ: МДП симисторов и симисторных оптопар с одноканальным I дифференциальным управлением, позволяющие облегчить физико топологическое моделирование и проектирование интегральных варианто! структур данных приборов.

5. На базе моделей биполярного и полевого транзисторов полученс аналитическое выражение для ВАХ биполярно-полевого Ы-прибора позволяющее определить его основные параметры и оценить степеш влияния на них физико-топологических и конструктивно-технологически? особенностей составляющих транзисторов.

6. Разработаны схемотехнические модели и структуры Ы-приборо! повышенной мощности, способные работать на значительнук индуктивную нагрузку.

7. Предложены новые схемотехнические модели полупроводниковые приборов с симметричными ВАХ Ы-типа, отличающиеся от известны? разработок малым числом элементов и простотой реализации I интегральном исполнении.

8. Получены аналитические соотношения, отражающие специфику объемной связи между тиристорами и симисторами, а также характеризующие работу функциональных устройств на их основе.

9. Предложен шунтирующий метод управления работой полупроводниковых устройств с самосканированием на основе приборов с Б-образной ВАХ,

Получено математическое описание данного метода на примере нейристора и сдвигового регистра с объемной связью.

Практическая ценность.

1. Полученные модели для статических и динамических характеристик ПДС и приборов на их основе (МДП-симистора и симисторных оптопар) позволяют проводить инженерный расчет параметров многослойных полупроводниковых структур симисторного типа малой мощности при проектировании и использовании в конкретных узлах электронной аппаратуры.

2. Аналитическое выражение ВАХ биполярно-полевого Ы-прибора, полученное на основе синтеза моделей биполярного и полевого транзисторов, позволяет проводить расчеты основных параметров таких приборов и оценивать влияние различных конструктивно-технологических факторов на их работу.

3. С использованием схемотехнического подхода разработаны методы

плвчтАима млпшллтм М,тчц^лллп по'юлтгятлшнл чгоогпдттитч. чиоттотша

««шд-и »111^/1 ш V» ихн х > ниир их>) у и или иии 1Л

рабочих токов в 10-100 раз.

4. Разработана структура биполярно-полевого Ы-прибора с встроенной защитой от перенапряжений, отличающаяся от известных конструкций эффективным использованием активных областей кристалла и повышенной мощностью.

5. Предложены схемы замещения Ы-приборов с симметричными ВАХ, на базе которых возможна реализация оригинальных эквивалентных интегральных структур, работающих при биполярном напряжении питания.

6. Предложен шунтирующий метод управления устройствами с самосканированием на базе интегральных линеек тиристоров и симисторов, предназначенный для расширения функциональных возможностей таких устройств, способный найти широкое применение при реализации электрических аналогов элементов нейронов.

Результаты исследования ПДС и КГ-приборов повышенной мощности

использованы ООО АБЭП УРЛЗ и АООТ ОКБ "Искра" при проектировании

биполярно-полевых структур с защитой от перенапряжений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные модели статических и динамических параметров ПДС малой и средней' мощности и оптопар на их основе обеспечивают эффективный инженерный расчет и оперативную оценку диапазона рабочих напряжений и токов, а также динамического диапазона их работы, необходимые при проектировании приборов данного типа.

2. Новые схемотехнические модели на основе трехтранзисторной схемы замещения позволяют облегчить физико-топологическое моделирование и проектирование ПДС и реализовать на их базе оптимальные структуры интегральных симисторов, а также управляемые приборы симисторного типа.

3. Математические и схемотехнические модели, а также структуры ЬГ-приборов большой мощности, в которых достигнуто повышение рабочих токов в 10 - 100 раз по сравнению с известными разработками, пригодны

для реализации эффективных элементов защиты различных узлов электронной техники.

4. Новые схемотехнические модели двух- и трехэлектродных приборов с симметричными Ы-образными характеристиками, отличающиеся от известных моделей малым числом схемных элементов упрощают реализацию эквивалентных интегральных структур.

5. Математическое описание механизма объемной связи в интегральных тиристорных и симисторных линейках позволяет проводить оценку и оптимизацию статических и динамических параметров режимов питания функциональных устройств на их основе.

6. Предложенный шунтирующий метод управления работой устройств с самосканированием, заключающийся в изменении чувствительности элементов с ОДС Б-типа за счет выбора сопротивления шунтирующих резисторов, обеспечивает создание таких устройств со стабильной и регулируемой скоростью распространения возбуждения, расширение частотного диапазона их работы и увеличение амплитуды питающих напряжений в 4 раза.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на: научно-технической конференции "Актуальные проблемы материаловедения в электронной технике" (Ставрополь, 1995); 2-й Международной конференции "Распознавание-95" (Курск, 1995); 5-й научно-практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1996); 5-й Международной конференции "Моделирование приборов и технологий" (Обнинск, 1996); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза,

1996); 3-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1996); 3-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Новосибирск, 1996); Международной конференции "Физика и промышленность ФИЗПРОМ-96" (Голицино, 1996); Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах ОС-97" (Ульяновск,

1997); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997); Второй Международной школе-конференции "Физические проблемы полупроводниковых материалов" (Черновцы, 1997); 4-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1997); Всероссийском семинаре "Нейроинформатика и ее приложения" (Красноярск, 1997); Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза,

1998); Научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1998).

Методы исследования и достоверность результатов. При выполнении работы использованы электрические методы исследования характеристик эквивалентных схем и структур с помощью стандартных электро- и радиоизмерительных приборов и оборудования, погрешность измерения которых обеспечивает достоверность полученных в диссертационной работе результатов. Достоверность результатов диссертации основана также на согласовании теоретических расчетов, выполненных на основе предложенных моделей с использованием стандартных пакетов прикладных программ для ЭВМ,с результатами экспериментальных исследований.

Личное участие автора. В диссертационной работе изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В работах, выполненных автором в соавторстве, автор разрабатывал методики исследований, принимал участие в изготовлении измерительных установок и оборудования, проводил теоретические расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.

Публикации. По результатам выполненных в диссертационной работе исследований опубликовано 23 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 181 странице машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 61 рисунок, 9 таблиц и список использованных литературных источников из 185 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано краткое обоснование актуальности моделирования и исследования полупроводниковых структур и приборов со статическими ВАХ Б- и Ы-типов, сформулирована цель диссертационной работы. Кроме того, определены практическая ценность работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Основные типы и свойства полупроводниковых структур и приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением" проведен сравнительный анализ известных на сегодняшний день многослойных структур и приборов с ОДС Б- и И-типов. При этом, проанализированы основные характеристики структур с ОДС Б-типа (рабочие токи, напряжения переключения, времена переключения, характер работы и особенности управления). Установлено, что с точки зрения использования в узлах современной электронной техники, наилучшими параметрами обладают планарно-диффузионные симисторы малой и средней мощности. Массогабаритные показатели и функциональные свойства ПДС во многом определяют перспективы их применения в качестве различных коммутаторов и быстродействующих полевых и оптоэлехтронных датчиков переменного тока в цепях слаботочной автоматики и бытовой техники.

Наряду с приборами Б-типа все большую актуальность приобретают дуальные по отношению к ним № приборы. При этом, анализ литературы по данной теме свидетельствует о том, что в настоящее время практически отсутствуют разработки приборов такого типа большой мощности. Однако на основе существующих данных по приборам И-типа показано, что для

решения проблемы повышения мощности наиболее приемлемыми являются биполярно-полевые структуры и их эквивалентные схемы замещения. При этом, на базе таких структур также возможно решение задачи расширения функциональных возможностей М-приборов. В данной главе также рассмотрены варианты использования подобных структур в качестве элементов встроенной защиты, реализации >1-приборов с симметричными ВАХ, а также вопросы создания и моделирования известных на сегодняшний день приборов и устройств с объемной связью на базе структур с ОДС Б- и № типов.

Проведенный, анализ позволил сформулировать цель работы и определить задачи, необходимые для ее достижения, а также методы их решения.

Во второй главе "Моделирование и исследование маломощных полупроводниковых планарных симисторных структур и приборов на их основе" для структур ПДС, реализованных в трех вариантах: на базе интегрального модуля из Двух вйречно-париллельно соединенных копланарных тиристоров, сформированных в общем /г0-базовом слое (1) (рис.1,а); на основе интегрального модуля из четырех смежных копланарных тиристорных структур, связанных между собой по общему базовому слою и соединенных попарно и встречно-параллельно с помощью внешней коммутации (2) (рис. 1,6); на базе пятислойной интегральной п-р-п-р-п-структуры (3) (рис.1,в), построены математические модели статических и динамических параметров.

На основе теории тиристоров с учетом планарного расположения диффузионных областей, получены соотношения для напряжения переключения итр остаточного напряжения 11ост и рабочего тока / для рассматриваемых вариантов ПДС:

I ч.

2¿(4+4)+44

0)

где пв - фактор пробоя; Ь - глубина залегания диффузионных р-областей в л„-базе; </|, (1г - длина и ширина эмиттерной диффузионной />-области, соответственно; -

ширина я„-базы; &1У - ширина области объёмного пространственного заряда в п0-

базе; Ь - диффузионная длина дырок; Л^ - концентрация примеси в «„-базе.

Г

„ кТ. I) ткТ

к

(2)

где д - заряд электрона; I - протекающий ток; / - ток насыщения эмиттерного р-п-перехода; к - постоянная Больцмана; Т- температура.

(3)

Расчетные значения этих параметров представлены в табл.1 и согласуются с экспериментом с учетом пятидесятипроцентного запаса для напряжения переключения при высоких температурах.

сожжет

--77----

...... т.

| ЦЦЦЗШЯ I

т,-----

а)

т.

б)

В)

Рис. 1. Структуры планарно-диффузионных симисторов: а - первого варианта; б -второго варианта; в - третьего варианта; Э;, Э2 - электроды; Г., Т2. Т3, Т4 -объемно-связаннйе тиристорные структуры; А,К,У - анод, катод, управляющий электрод тиристора.

Результаты моделирования и исследования ПДС

Таблица 1

Иссле- Параметры вариантов исполнений ПДС

дование I, мА

1 2 3 1 2 3 1* 2* 3**

Матем. 280 560 8 524 524 543 1,1 1,5 16,8

Экспер. 300 500 б 250 245 400 1,4 1,5 15,5

Примечания: *- при рабочем токе /=100 мА; ** - при рабочем токе /=10 мА.

т

Математическая модель динамических параметров ПДС и оптопар на их основе, учитывающая специфику оптоэлектронного управления, базируется на изучении характера изменения избыточной концентрации неосновных носителей заряда в запирающем слое коллекторных переходов ПДС, обусловленного генерацией электронно-дырочных пар в результате фоюэффекта и определяющего время накопления критического заряда, необходимого для включения ПДС. При анализе процессов включения и выключения структура ПДС была представлена одномерной моделью, эффект неравномерного включения не учитывался. В модели отражена специфика работы каждого варианта ПДС и получены выражения для времен включения 1т и выключения первого и второго, а также времен открывания 1откр закрывания 1ШЧ, доя третьего вариантов исполнения ПДС.

АРпс

+1,

К/

=

АРпкУ

^ прп ^ рпр ^

(4)

р вьос Л л ' &р = 2^

1-

^Рпк р ^вык Л _

АРш:,"

Г,

ЬРпс

ЛА)-^

где - дифференциальное сопротивление диода при напряжении на нем менее иид\ Сид - емкость р-п-перехода диода; {/„ - напряжение, соответствующее точке пересечения прямой, апроксимирующей прямой участок ВАХ излучающего диода, с осью абсцисс.

+г, )1п

др1

(5)

д_* _т 1±. тс =(Кс+Кн)Се - постоянная времени спада, зависящая от типа У «« 1"Я'

структуры ПДС; Яс - сопротивление ПДС в открытом состоянии; Я„ - сопротивление внешнего нагрузочного резистора, задающего рабочий ток через ПДС; Сс - емкость прибора, включающая в себя собственную емкость ПДС и паразитную емкость элементов корпуса.

Для подтверждения результатов моделирования проведены экспериментальные исследования, показывающие, что времена включения

всех трех вариантов ПДС лежат в пределах (1-7) мкс. Времена выключения варианта 1 составляют (100-200) мкс, варианта 2 - (200-600) мкс и варианта 3 -(20-100) мкс. Кроме этого, проведена оценка параметра с!и/Ж, величина которого для всех вариантов составляет 6..3 В/мкс.

При реализации схемотехнических моделей ПДС предложено оригинальное решение задачи адекватного описания пятислойной структуры интегрального ПДС (рис.1,в) с помощью трехтранзисторной схемы замещения (рис.2). Отличительной особенностью модели является наличие среднего биполярного транзистора с вертикальными /^-«-переходами, и имеющего одинаковые коэффициенты усиления в прямом и инверсном включениях.

и, в зоо

200

100'

Т2 о

^^ Л

т. т, -зоо!

-300 -200 -100 0 100 200 1,мА

а) б)

Рис.2. Трехтранзисторная схема замещения пятислойной структуры ПДС (а) и ее вольт-амперные характеристики (б): 1 - РБрке-моделирование; 2 - экспериментальная.

За счет этого достигается согласование конфигурации схемы с интегральной структурой ПДС, устраняются дублирующие параллельные цепи, снижается число элементов по сравнению с известными эквивалентными схемами замещения симисторов. Важным достоинством модели является возможность ее использования для описания структур как планарных, так и эпитаксиальных симисторов. При проверке адекватности модели с помощью пакета прикладных программ для схемотехнического моделирования РБрше получены значения • напряжений и токов включения, в пределах ±20% согласующиеся с результатами эксперимента (рис.2,б).

На основе трехтранзисторной модели ПДС реализованы схемы замещения МДП-симисторов и симисторных оптопар с одноканальным и дифференциальным управлением. Получены аналитические выражения для напряжений переключения с учетом особенностей полевого и оптоэлектронного управления. Дана оценка этого параметра для макетных образцов схем замещения МДП-симистора на базе серийных биполярных транзисторов типа КТ315 и полевого транзистора типа КП304, и для образцов схем замещения симисторных оптопар на базе биполярных транзисторов типа КТ361 и транзисторных оптопар типа АОТ123. Результаты расчета значений напряжений переключения в пределах ±20% согласуются с экспериментальными данными. Приведены варианты интегральных приборов с полевым и оптоэлектронным управлением на основе ПДС. Даны

___ г\

1

-----

-—— —\

к

1 Д.

рекомендации по наиболее эффективному применению ПДС в различнь узлах электронной аппаратуры.

В третьей главе "Моделирование и исследование биполярно-полевь полупроводниковых приборов с отрицательным дифференциальны сопротивлением М-типа" проанализирована статическая схема замещени содержащая биполярный транзистор и включенный в его базовую цег полевой транзистор с управляющим р-л-переходом, затвор которого соедине с коллектором биполярного транзистора (рис.3).

h,A

1-

Рис.3. Схема замещения М-прибора: Рис.4. Семейство расчетных ВАХ М-прибора Э, Б, К. - эмиттер, база, коллектор.

На основе теорий биполярного и полевого транзисторов получен* уравнение ВАХ для такого прибора:

кТ_ 9

-ни:

кТ

-1.

(8)

где aN - коэффициент усиления биполярного транзистора в нормальном режим' работы;, z - глубина канала; - подвижность дырок; NA - концентрация легирующе! примеси в канале; е - диэлектрическая проницаемость кремния; е0 - злектрическа; постоянная; UD - диффузионный потенциал; 10 - длина диффузионной обласп затвора; d0 - разность глубин залегания /»-«-переходов затвора и канал-подложки; Is и IS2 - токи насыщения эмитгерного и коллекторного переходов; к - постоянна) Больцмана; Т- температура; q - заряд электрона.

Результаты расчета ВАХ N-прибора по полученной формуле < использованием пакета Maple V Release 4 приведены на рис.4. Показано, что повышение мощности N-прибора возможно двумя путями первый сводится к получению подобных приборов схемотехническим! методами на основе сочетания дискретных биполярных и полевыз

транзисторов большой мощности, а второй заключается в реализации и оптимизации мощных пленарных структур. В рамках схемотехнического метода предложено использование параллельно включенных транзисторов и схемы Дарлингтона. При реализации данного метода экспериментально получены значения тока максимума 16 А при напряжении 2,7 В и величина ОДС 0,2 Ом. Реализация твердотельных вариантов №приборов осуществлялась путем использования в качестве базовых структур тиристоров или мощных транзисторов с дополнительно введенными диффузионными областями, формирующими полевые транзисторы с управляющим ^-«-переходом. На такой базе изготовлена оригинальная полупроводниковая структура Ы-прибора (рис.5), для которого получены значения тока максимума 30 мА при напряжении 0,1 В.

I, мА

400

300

200

100

-100

----N !/а=1.ЭВ

V- =! В \ \

Ц»=0,9 В 4 №

N

¡/»=0.7 В 1

'5 и** В

Рис.5. Структура М-прибора большой мощности.

Рис.6. ВАХ транзистора с защитой от пробоя.

На основе анализа схемы замещения биполярно-полевого 1чГ-прибора и структуры на рис.5 предложен полупроводниковый прибор, имеющий ВАХ М-типа, содержащую плоский участок, соответствующий максимальному значению тока, протяженный по напряжению и ограниченный областью резкого спада до минимального значения, соответствующего закрытому состоянию прибора (рис.б). Прибор по своей сути является биполярным транзистором с защитой от пробоя. Эта защита осуществляется посредством полевого транзистора, включенного в цепь базы и стабилитрона, включенного в цепь затвор-коллектор, отвечающего за ширину участка стабильного тока. Изготовлена планарно-эпитаксиальная структура такого прибора.

Предложены два варианта схемного моделирования полупроводниковых приборов с симметричными ВАХ КГ-типа, достоинствами которых являются: простота реализации на их основе интегральных вариантов приборов; малое число. элементов по сравнению с известными разработками; универсальность при реализации двух и трехэлектродных приборов.. Варианты представляют собой двух и трехтранзисторные схемы с дополнительно введенными диодами, отвечающими за смену цепей управления биполярного транзистора при смене полярности питающего напряжения. Проведено машинное моделирование

предложенных вариантов схем с использованием пакета прикладнь программ для схемотехнического моделирования на ПЭВМ РБрк экспериментально подтверждена работоспособность таких схем. На ба: дискретных полупроводниковых приборов, в частности, полевь транзисторов типа КП 303 и биполярных типа КТ361 с диодами типа КД5( получены значения тока максимума 30 мА при напряжении 1,5 В и тс минимума 15 мА при напряжении минимума 2 В.

Четвертая глава "Функциональные полупроводниковые приборы устройства с объемной связью на основе элементов с отрицательны дифференциальным сопротивлением Б-типа" посвящена исследовани объемной связи между элементами с Б-образными ВАХ, устройств самосканированием (УСС) на основе линеек объемно-связанных элементов, также рассмотрению возможностей использования УСС в нейроинформатике

В данной главе проведен теоретический анализ механизмов объемно связи в линейках интегральных тиристоров и симисторов с общим базовы слоем посредстве;« разработки математической модели распространена возбуждения вдоль линейки. На основе решения уравнения непрерывност получены аналитические выражения, отражающие специфику (сила объемной связи между элементами при импульсном режиме работы. ! частности, для тиристоров получена зависимость времени задержк включения второго тиристора 1)ад от тока притекающего через первы тиристор 1Т1:

1п-

-+1п

ехр(а/) + ехр(/У)

1-ехр

I \

КНСТ \bjn~t,

.(9

где

Ю, '' Ю„

и-гг напряжение включения второго тиристора; Е - напряженность внешнег электрического поля; 1ШКЛ - ток выключения тиристора; К„ - сопротивлени нагрузочного резистора, Ст- емкость тиристора; 1и - длительность импульса питанш

Для симисторов аналогичная зависимость времени задержки включени второго симистора 1Ш от тока, протекающего через первый симистор Ь имеет вид:

Проведены экспериментальные исследования, в результате которьг выявлено, что чувствительность к управляющему воздействию проявляете: только у соседнего симистора, влияние на последующие элементы ничтожт

мало, что связано с большой удаленностью этих симисторов по отношению к возбуждающему симистору. При этом установлено, что при включенной прямой тиристорной структуре, составляющей первый симистор, к управляющему воздействию чувствительна только обращенная тиристорная структура второго симистора, и наоборот, включение обращенной тиристорной структуры первого симистора определяет чувствительность прямой тиристорной структуры второго симистора. Таким образом, работа такого интегрального модуля обеспечивается только при противофазном характере подачи рабочих напряжений на соответствующие симисторы. Анализ диффузионно-дрейфового характера распространения возбуждения в данном модуле показал, что рабочий режим модуля обеспечивается влиянием тянущего поля для неосновных носителей в общем базовом слое. При блокирующем режиме (синфазной подаче напряжений) поле является тормозящим.

Предложен шунтирующий метод управления работой по лупр оз о дкик ов ых устройств с СиМСскиИ'фсВиНИбм ~ ксйристоров н сдвиговых регистров на основе интегральных линеек объемно-связанных тиристоров. Суть метода заключается в изменении чувствительности отдельных тиристоров ячеек с помощью управляемых шунтов и, вследствие этого, изменении скорости распространения возбуждения в устройствах с самосканированием. Использование данного метода управления позволяет реализовать подобные устройства как с постоянной и стабильной скоростью распространения импульсов возбуждения, так и с изменяющейся скоростью в процессе работы, что значительно расширяет их функциональные возможности. Полученное аналитическое описание влияния шунтирования катодных эмитгерных переходов тиристоров линейки на скорость распространения импульсов возбуждения подтверждаются результатами экспериментальных исследований УСС.

В связи с наличием у ПДС шунтирующих крайние /»-«-переходы резисторов, данный метод может быть эффективно использован и для управления работой УСС на основе интегральных линеек объемно-связанных симисторов. При этом механизм работы УСС на основе симисторов при одной из полярностей питающего напряжения аналогичен механизму работы УСС на основе тиристоров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основным итогом диссертации является решение задачи моделирования и исследования полупроводниковых приборов и пленарных структур с Б- и М-образны ми ВАХ, имеющей важное значение для физики и техники полупроводниковых приборов.

При проведении исследований и разработок по теме диссертации получены следующие основные теоретические и практические результаты: 1. Получены аналитические соотношения, пригодные для оценки статических и динамических параметров интегральных планарно-диффузионных симисторов и симисторных оптопар. Показано, что наилучшими характеристиками (быстродействие, интервалы рабочих токов и

напряжений, технологическая простота изготовления и т.п.) обладают интегральные симисторы на базе планарной пятислойной структуры. Сформулированы практические рекомендации по использованию ПДС малой и средней мощности.

2. Разработаны новые схемотехнические модели маломощных симисторов и функциональных приборов на их основе с полевым и оптоэлектронным управлением (МДП-симисторов и симисторных оптопар) адекватно описывающие основные принципы их работы, позволяющие проводить расчет параметров ВАХ указанных приборов и оценивать работоспособность электрических схем с их применением. Разработаны машинные модели этих устройств для пакета схемотехнического моделирования PSpice, проведены теоретические и экспериментальные исследования схемотехнических моделей и реальных структур.

3. Получено аналитическое выражение для ВАХ полупроводникового биполярно-полевого N-прибора, позволяющее проводить расчет его основных параметров и оценивать влияние на них конструктивно-технологических и физико- топологических особенностей.

4. Предложены схемотехнические методы реализации полупроводниковых приборов с N-образными ВАХ повышенной мощности, позволяющие увеличить рабочие токи в 10-100 раз по сравнению с известными разработками. Получены и исследованы планарные структуры таких приборов, в том числе с встроенной защитой от пробоя.

5. Предложены и исследованы новые статические схемы замещения полупроводниковых приборов с симметричными ВАХ N-типа, отличающиеся малым числом схемных элементов и простотой реализации на их основе твердотельных аналогов.

6. Получены аналитические соотношения, применимые для практической оценки силы объемной связи между приборами с ВАХ S-типа (тиристорами и симисторами) в составе интегральной линейки. На этой основе разработана математическая модель для основных параметров, характеризующих работу устройств с самосканированием на базе симисторов.

7. Предложен и исследован шунтирующий метод управления устройствами с самосканиров&нием, заключающийся в управлении чувствительностьк отдельных ячеек с помощью шунтов, позволяющий значительно расширит! функциональные возможности этих устройств, что, в частности, может быть использовано в системах нейробионики и нейроинформатики.

Основное содержание диссертации опубликовшю в следующих работах:

1. Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Андрюхин A.A., Новиков С Г., Акачев С. А. Овчинников П.В. Микроэлектронные самосканирующие устройств* управления электролюминесцентными индикаторами II Актуальны! проблемы материаловедения в электронной технике: Тез. докл. науч.-техн конф., июнь 1995, Ставрополь. -Изд-во НПО "Люминофор", 1995.-С.25.

2. Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Исследование оптоэлектронны: самосканирующих устройств с шунтирующим механизмом управления I Сборник материалов "Распознавание-95": Матер. 2-й Междунар. конф. октябрь 1995, Курск, Россия.-Курск: Изд-во КГТУ, 1995.-С. 168-170.

3. Новиков С.Г. Метод управления работой полупроводниковых самосканирующих устройств // Труды молодых ученых Ульяновского государственного университета: Тез. докл. студент, и аспирант, на 5 науч.-практ. конф., апрель 1996, Ульяновск. -Изд-во УлГУ, 1996. -С. 49-51.

4. Novikov S.G., Baklanov S.B., Gurin N.T. Drive shunting method of work of self-scaning semiconductor devices II The Fifth International Conference on Simulation of Devices and Technologies: Proceedings, May 1996, Obninsk, Russia.-Obninsk: IPPE, 1996.-P.79-80.

5. Бакланов С.Б., Гурин H.T., Новиков С.Г. Моделирование процессов фотовозбуждения полупроводника световыми импульсами специальной формы // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем (в 2 частях): Сбор.докл.Междунар. науч.-техн.конф., май-июнь 1996, Пенза. -Изд-во ПГТУ, 1996.-С.66-67.

6. Бакланов С.Б., Булавочкин В.П., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Моделирование характеристик планарно-диффузионного симистора с применением пакета PSpice // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды третьей Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участ., сентябрь 1996, Дивноморское.-Таганрог: Изд-во ТГРУ, 1996.-С. 108110.

7. Бакланов С.Б, Гурин Н. Т., Новиков С.Г., Роньжин О.А. Исследование объемной связи в интегральных линейках симисторов // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96 (в 11 томах): Труды третьей Междунар. науч.-техн. конф., ноябрь 1996, Новосибирск: Т.1. Секция электронно-физическая. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996 -С. 2324.

8. Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Полупроводниковые симисторные оптопары на базе планарных фотосимисторов // Физика и промышленность ФИЗПРОМ-96: Тез.докл. Междунар. конф., сентябрь 1996, Голицыно. -М.: Изд- во ТОО НИЛ, 1996. -С.273-274.

9. Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Кубасов Г.В. Моделирование динамических характеристик маломощного фотосимистора // Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах DC- 97: Труды Междунар. конф., июнь 1997, Ульяновск. -Изд-во УлГУ, 1997.-С. 99- 100.

Ю.Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Эдварс Р.А. Реализация функции запоминания в индикаторных устройствах с самосканированием II Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб.докл. Междунар. науч.-техн.конф., май 1997, Пенза. -Изд-во ПГТУ, 1997.-С.132-133.

11 .Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Кудасов Г.В. Трехтранзисторная модель планарно-диффузионного симистора. Известия вузов. Электроника . - 1997. -№ 3-4.-С.60-63.

\2.Baklanov S.B., Gurin N. Т., Novikov S.G., Kuznetsov V. V. Modeling of triac optrons // Physical Problems in Material Science of Semiconductors: Abstract Booklet of Second International School-Conference, September 1997, Chernivtsi, Ukraine. -Chernivtsi: Видавництво "Прут", 1997. -P. 301.

1 З.Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Турин Н.Т., Кудасов Г.В. Исследование трехтранзисторной схемы замещения симистора И Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды четвертой Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участ., сентябрь 1997, Дивноморское,-Таганрог: Изд-во ТГРУ, 1997.-С. 94-96.

14. Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурт Н.Т, Кудасов Г.В. Исследование симметричного N-прибора // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Труды четвертой Всерос. науч.-техн конф. с междунар. участ., сентябрь 1997, Дивноморское.-Таганрог: Изд-вс ТГРУ, 1997.-С. 97.

15.Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Моделирование и исследование пластических свойств полупроводниковых аналогов функционально неоднородных аксонных терминалей нейронов // Нейроинформатиха и е< приложения: Тез. докл. 5 Всерос. семинара, октябрь 1997, Красноярск. -Изд во КГТУ, 1997.-С.14.

1 (¡.Бикланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Кудасов Г.В. Моделирование i исследование динамических характеристик маломощных симисторньи оптопар // Ученые записки Ульяновского государственного университета Серия физическая. -Ульяновск: Изд-во УлГУ, 1997.-Вып. 1(3). -С. 78-82.

П.Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г. Моделирование и исследован» планарно-диффузионных симисторов малой мощности и оптопар на и; основе. Известия вузов. Электроника. -1997. -№ 6.-С.49-59.

18.Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Кузнецов В.В. Схемотехнически! модели, фотосимисторов и симисторных оптопар на их основе // Сборнм материалов "Распознавание-97": Матер. 3-й Междунар. конф., ноябрь 1997 Курск, Россия.-Курск: Изд-во КГТУ, 1997.-С. 130-132.

\9.Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новоселов А:Ю. Планарно диффузионный N-фототранзистор II Сборник материалов "Распознавание 97": Матер. 3-й Междунар. конф., ноябрь 1997, Курск, Россия.-Курск: Изд во КГТУ, 1997.-С. 132-133.

Ю.Бакланов С.Б., Гурин Н.Т., Новиков С.Г., Кузнецов В.В. Трехтранзисторны схемы замещения в моделировании МДП-симисторов и симисторны оптопар. Изв. вузов. Электроника. -1998. -№ 1.-С.71-78.

21.Новиков С.Г., Новоселов А.Ю. Полупроводниковые приборы отрицательным дифференциальным сопротивлением N-типа большо: мощности. // Сборник тезисов докладов "Микроэлектроника информатика - 98": Тез. докл. Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студ. и асг В 2 ч. 4.1. -М.: МИЭТ, 1998. -С.59.

22.Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурин Н.Т. Исследование полупроводниковы самосканирующих устройств с шунтирующим методом управления // Из1 вузов. Электроника. -1998. -№ 4. -С.31-36.

2Ъ.Шляпин A.B., Новиков С.Г., Бакланов С.Б., Гурин Н.Т. Исследовани динамических свойств объемной связи в интегральных линейках планарнс диффузионных симисторов II Актуальные проблемы анализа и обеспечен« надежности и качества приборов, устройств и систем: Сбор, дою Междунар. науч.-техн.конф., май 1998, Пенза. -Изд-во ПГТУ, 1998. -C.30I 301.

I /Л л

/ * (А 14

/ I I

9 7 - г/ »/ ^ / - • V

/

УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НОВИКОВ СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЁНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и

наноэлектроника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -докт. физ.-мат. наук, профессор Гурин Н.Т.

Ульяновск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.........................................5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................6

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР И ПРИБОРОВ С ОТРИЦА ТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ.................................14

1.1. Полупроводниковые структуры и приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением Б-типа.................................14

1.2. Полупроводниковые структуры и приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением И-типа................................24

1.3. Полупроводниковые структуры и приборы

с объемной связью..........................................................................33

1.4. Выводы, постановка задачи...........................................................43

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОМОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАНАРНЫХ СИМИСТОРНЫХ СТРУКТУР И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ.........................................45

2.1. Структуры планарно-диффузионных симисторов.........................45

2.2. Моделирование статических параметров планарно-диффузионных симисторов.............................................................49

2.3. Моделирование динамических характеристик планарно-диффузионных симисторов и симисторных оптопар....................54

2.4. Машинное моделирование характеристик планарно-диффузионных симисторов и приборов на их основе с помощью пакета прикладных программ РБрюе..............................................65

2.5. Трехтранзисторная модель планарно-диффузионного

симистора........................................................................................73

<

2.6. Модели управляемых полупроводниковых приборов

на основе планарно-диффузионных симисторов...........................79

2.6.1. МДП-симистор...................................................................79

2.6.2. Симисторные оптопары с одноканальным и дифференциальным управлением......................................85

2.7. Выводы............................................................................................91

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ С ОТРИЦА ТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМN-ТИПА................93

3.1. Биполярно-полевые N-приборы....................................................93

3.2. Моделирование вольт-амперных характеристик N-приборов.....96

3.3. Схемотехническое моделирование N-приборов повышенной мощности.......................................................................................101

3.4. Интегральные структуры мощных N-приборов...........................105

3.5. Интегральный транзистор с защитой от перенапряжения..........109

3.6. Исследование симметричного N-прибора...................................113

3.7. Выводы..........................................................................................118

4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА С ОБЪЕМНОЙ СВЯЗЬЮ НА ОСНОВЕ ЭЛЕМЕНТОВ С ОТРИЦА ТЕЛЬНЫМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ S-ТИПА.............................................................120

4.1. Механизм объемной связи между планарно-диффузионными тиристорами...................................................................................120

4.1.1. Статическая модель механизма объемной связи между планарно-диффузионными тиристорами........................121

4.1.2. Моделирование механизма объемной связи в интегральных линейках тиристоров при импульсном режиме работы.................................................................123

4.2. Механизм объемной связи между планарно-диффузионными симисторами..................................................................................137

4.2.1. Статическая модель механизма объемной связи между

планарно-диффузионными симисторами.......................140

( <

4.2.2. Моделирование механизма объемной связи в интегральных линейках симисторов при импульсном режиме работы.................................................................145

4.3. Исследование полупроводниковых самосканирующих устройств с шунтирующим методом управления на основе

интегральных линеек планарно-диффузионных структур

тиристоров и симисторов............................................................154

4.4. Выводы.........................................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................164

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................182

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВАХ - вольт-амперная характеристика ИС - интегральная схема

КУСС - коммутирующее устройство с самосканированием

МДП - металл-диэлектрик-полупроводник

ОДС - отрицательное дифференциальное сопротивление

ОПЗ - область пространственного заряда

ОНС - область низкого сопротивления

ОЭ - общий эмиттер

ПДС - планарно-диффузионный симистор ЭЛИ - электролюминесцентный индикатор

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые структуры с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) обладают рядом уникальных свойств, стимулирующих поиск конструктивно-технологических и схемотехнических решений при разработке новых полупроводниковых приборов, функциональных и микроэлектронных устройств на их основе. В последнее время весьма перспективным становится применение приборов с Б- и № образными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) различного уровня мощности в средствах телекоммуникаций, устройствах отображения и преобразования информации, нейроинформатики, слаботочной автоматики из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных показателей, повышения качества и надежности.

Вопросам разработки, моделирования и исследования многослойных приборов с ОДС посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. Огромный вклад в развитие физики полупроводниковых приборов с ОДС внесли такие ученые, как В.И.Стафеев, А.А.Лебедев, С.А.Гаряинов, В.Е.Челноков, В.А.Кузьмин, Ю.А.Евсеев, А.Блихер, П.Тейлор, В.Герлах, Н. Холоньяк и др. В настоящее время практически решены основные вопросы теории известных приборов с ОДС, касающиеся физических процессов, приводящих к появлению участка ОДС на ВАХ, принципа действия, свойств основных типов приборов, а также их применения в различных узлах электронной техники. Однако, появление новых полупроводниковых приборов с ОДС, имеющих оригинальные многослойные структуры вызывает огромный интерес у исследователей и производителей электронной аппаратуры и требует решения сложных теоретических и практических задач.

Отличительной особенностью приборов с ОДС является наличие

( <

внутренней положительной обратной связи. В зависимости от ее вида (по напряжению или току) полупроводниковые приборы делятся на два класса. К первому относятся приборы с 8-образной ВАХ, устойчивые по току. Ко второму классу относятся приборы с ЬГ-образной ВАХ, устойчивые по напряжению. При этом, такие приборы принято считать дуальными.

Дуальность 8- и КГ-приборов проявляется в подобии их ВАХ и эквивалентных схем замещения. В связи с этим, они представляют собой класс приборов, обладающих одинаковыми свойствами, подчиняющихся одним и тем же принципам разработки, моделирования и исследования. При этом, широкие перспективы применения, быстрое развитие теоретических основ и технологической базы позволило выделить полупроводниковые приборы с ОДС на базе ^-«-переходов в отдельное перспективное направление твердотельной электроники.

Наиболее распространенными двух- и трехэлектродными многослойными полупроводниковыми приборами со статическими ВАХ Б-типа являются динисторы, тиристоры и симисторы [1-6]. Основным механизмом формирования участка ОДС в них является лавинное умножение носителей заряда в результате ударной ионизации в сильном электрическом поле /?-л-переходов. Такие приборы имеют многослойную структуру, содержащую три или четыре /?-и-перехода, а также гальваническое, полевое или оптоэлектронное управление параметрами ВАХ. Развитие полупроводниковых приборов с ВАХ Б-типа идет преимущественно по пути улучшения значений отдельных параметров, в частности, повышения рабочих токов, снижения токов включения и выключения и падения напряжения в открытом состоянии, увеличения быстродействия. Большое внимание уделяется, прежде всего, получению мощных управляемых тиристоров и симисторов для использования их в цепях постоянного и переменного тока силовой электроники. При этом следует отметить, что значительно меньшее внимание уделяется задачам разработки, моделирования и исследования слаботочных приборов на основе полупроводниковых интегральных структур тиристоров и симисторов. Однако в настоящее время перспективным представляется использование симисторов' малой и средней мощности в различных областях электроники, в том числе в средствах телекоммуникаций, отображения информации, нейроинформатике, слаботочной автоматике и бытовой технике. Такие приборы обладают планарной структурой и, как следствие, простотой управления параметрами ВАХ с помощью

электрического поля и светового воздействия, высоким быстродействием и возможностью обработки биполярных сигналов, что значительно расширяет их функциональные возможности и позволяет упростить многие схемотехнические решения. При этом, массогабаритные показатели и возможность быстрого освоения в серийном производстве на базе стандартных планарных технологий позволят осуществить интегрирование симисторных структур в общем объеме полупроводника и создать тем самым новые высоконадежные, многофункциональные микроэлектронные устройства, выполняющие любые логические операции и осуществляющие хранение и обработку информации.

Среди приборов со статическими ВАХ Ы-типа наиболее распространенными являются туннельные диоды [7-9]. В настоящее время они используются в основном в импульсных и усилительных схемах, а также в качестве маломощных автогенераторов синусоидальных колебаний. Однако, туннельные диоды обладают существенными недостатками, такими, как сложность управления величиной ОДС, наличие вторичных положительных ветвей на ВАХ и малая мощность, которые значительно снижают эффективность их использования. При этом, в настоящее время является перспективным создание на базе И-приборов мощных низко- и среднечастотных генераторов, твердотельных ограничителей тока, мощных комбинированных полупроводниковых приборов с защитой от пробоя, элементов защиты узлов электронной аппаратуры и электробытовой техники. В связи с этим, на данном этапе появляются задачи повышения мощности приборов с И-образными ВАХ и расширения их функциональных возможностей. Как показывает анализ, решение данных задач возможно путем разработки новых мощных управляемых биполярно-полевых полупроводниковых приборов с КГ-образными характеристиками, ■ реализации их схемотехнических моделей и интегральных структур, и является необходимым шагом в дальнейшем развитии приборов такого типа.

Таким образом, на сегодняшний день в физике и технике полупроводниковых приборов с ОДС Б- и Ы-типов существуют два

перспективных направления дальнейшего развития таких приборов. Первое из них касается моделирования и исследования симисторов малой и средней мощности и приборов на их основе, а второе связано с разработкой мощных управляемых приборов с ВАХ Ы-типа. В связи с этим, целью данной работы является реализация моделей и исследование основных параметров многослойных полупроводниковых структур с ОДС Б- и 14-типов, а также приборов и устройств на их основе.

Достижение указанной цели в работе осуществлялось следующим образом:

В первой главе проведен сравнительный анализ основных типов и свойств полупроводниковых приборов и устройств с ОДС Б- и Ы-типов различного уровня мощности. Определены основные направления дальнейшего развития, касающиеся создания, моделирования и исследования приборов симисторного типа малой и средней мощности, а также биполярно-полевых N1-приборов большой мощности. Рассмотрены вопросы моделирования и исследования таких приборов с объемной связью.

Во второй главе исследованы основные статические и динамические параметры структур планарно-диффузионных симисторов малой и средней мощности, определены основные аналитические соотношения, пригодные для инженерных расчетов таких приборов. Разработаны и исследованы схемотехнические модели управляемых приборов с ОДС, обеспечивающие адекватное описание реальных интегральных структур.

В третьей главе разработаны и проанализированы схемотехнические и математические модели, а также исследованы биполярно-полевые структуры полупроводниковых приборов с Ы-образными ВАХ большой мощности и Ы-приборов с симметричными характеристиками. Кроме этого, разработаны новые структуры мощных транзисторов с защитой от пробоя, пригодные для практического использования.

В четвертой главе реализованы модели функциональных устройств с объемной связью на основе приборов с ОДС Б-типа (тиристоров и симисторов) с использованием новых методов их управления.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Получены аналитические соотношения, пригодные для расчета основных статических параметров планарно-диффузионных симисторов (ПДС) -напряжения переключения, рабочего тока и остаточного напряжения.

2. Разработана математическая модель процессов включения и выключения оптопары на основе ПДС, учитывающая инерционность излучающего диода, обусловленную нелинейным характером его работы, и динамические свойства ПДС.

3. Предложена новая модель ПДС на основе трехтранзисторной схемы замещения, позволяющая адекватно описать интегральные структуры симисторов, а также управляемых приборов симисторного типа.

4. Разработаны и исследованы трехтранзисторные схемы замещения управляемых приборов с симметричными Б-образными ВАХ: МДП-симисторов и симисторных оптопар с одноканальным и дифференциальным управлением, позволяющие облегчить физико-топологическое моделирование и проектирование интегральных вариантов структур данных приборов.

5. На базе моделей биполярного и полевого транзисторов получено аналитическое выражение для ВАХ биполярно-полевого К-прибора, позволяющее определить его основные параметры и оценить степень влияния на них физико-топологических и конструктивно-технологических особенностей составляющих транзисторов.

6. Разработаны схемотехнические модели и структуры Ы-приборов повышенной мощности, способные работать на значительную индуктивную нагрузку.

7. Предложены новые схемотехнические модели полупроводниковых приборов с симметричными ВАХ Ы-типа, отличающиеся от известных разработок малым числбм элементов и простотой реализации в интегральном исполнении.

8. Получены аналитические соотношения, отражающие специфику объемной связи между тиристорами и симисторами, а также характеризующие работу функциональных устройств на их основе.

9. Предложен шунтирующий метод управления работой полупроводниковых устройств с самосканированием на основе приборов с Б-образной ВАХ. Получено математическое описание данного метода на примере нейристора и сдвигового регистра с объемной связью.

Практическая ценность работы:

1. Полученные модели для статических и динамических характеристик ПДС и приборов на их основе (МДП-симистора и симисторных оптопар) позволяют проводить инженерный расчет параметров многослойных полупроводниковых структур симисторного типа малой мощности при проектировании и использовании в конкретных узлах электронной аппаратуры.

2. Аналитическое выражение ВАХ биполярно-полевого ]\Г-прибора, полученное на основе синтеза моделей биполярного и полевого транзисторов, позволяет проводить расчеты основных параметров таких приборов и оценивать влияние различных конструктивно-технологических факторов на их работу.

3. С использованием схемотехнического подхода разработаны методы повышения мощности М-приборов, позволяющие увеличить значения рабочих токов в 10-100 раз.

4. Разработана структура биполярно-полевого КГ-прибора с встроенной защитой от перенапряжений, отличающаяся от известных конструкций эффективным использованием активных областей кристалла и повышенной мощностью.

5. Предложены схемы замещения Ы-приборов с симметричными ВАХ, на базе которых возможна реализация оригинальных эквивалентных интегральных структур, работающих при биполярном напряжении питания.

6. Предложен шунтирующий метод управления устройствами с самосканированием на базе интегральных линеек тиристоров и симисторов, предназначенный для расширения функциональных возможностей таких устройств, способный найти широкое применение при реализации электрических аналогов элементов нейронов.

Результаты исследования ПДС и М-приборов повышенной мощности использованы О