книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами
..pdf6
Рис. 24. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) при пере ключении диода с параметрами, аналогичными указанным на рис. 23.
Нуль напряжения соответствует |
C7=Z7o=i000 В. 1 — U' =5*1011 В/с; |
S — U' =1.2-10« |
В/с; 3 —. U' =2«10« В/с. |
Еп недостаточна для ионизации в квазинейтрали, и из нее поставляются в ООЗ только равновесные дырки с концентрацией Рг^Ю6 см“3. При U0—l кВ и а0— =10~2 см они доходят до области максимума поля
через 1 нс, когда |
напряжение на приборе U— |
—U0-}-U'tc? 1.5 кВ |
даже не достигает напряжения |
пробоя в стационарных условиях Ua. Дальнейший рост напряжения происходит при достаточно боль шом количестве инициирующих носителей в 0 03 , и перенапряженной области вообще не образуется. Поэтому ударно-ионизационная волна не формиру-
Рлс. 25. Зависимость минимальной величины остаточного на пряжения от скорости подъема напряжения U'.
1, 2, 3 —I 17о=400, 700, 1000 В соответственно.
ется, |
а развивается |
обычный лавинный пробой. |
При |
очень больших |
£ / '> 2•1012 В /с ионизация |
вквазинейтрали идет интенсивно и поток дырок из нее в ООЗ имеет большую концентрацию. Кроме того, поле в ООЗ нарастает очень быстро — уже через 1 нс напряжение на приборе равно 3 кВ т. е. почти вдвое больше Нл. Это приводит к резкому возрастанию концентрации дырок на фропте потока, входящего в ООЗ, и к формированию быстрой волпы
всечении, расположенном значительно правее
/?+-тг-перехода. В этом случае лежащая левее часть ООЗ будет заполняться плазмой, образуемой «медленной» волной, и время переключения возра стает, как это видно на рис. 24. Так как концентра ция плазмы за фронтом волны очень сильно зависит от поля, примерно, как а= / (в>, то такое «прежде временное» формирование быстрой волны ухудшает
модуляцию объема и ведет к наблюдаемому на рис. 25 некоторому увеличению Umn при очень больших U*. Кстати, из данных рис. 25 средняя концентрация плазмы в базе при оптимальном U' равна пт— UMaJ q\xJwu~ 1015 см-3 т. е. довольно большая. Харак тер зависимости процесса переключения от UQ также вполне понятен. При малом U0 а0 тоже мало, поток дырок из квазинейтрали достигает р +-тг-пере- хода раньше, чем успевает подняться напряжение, и перенапряженная область уже не может образо ваться. То же самое происходит, когда U0 близко к и я — возрастающий вследствие стационарного ум ножения ток утечки препятствует образованию пере напряженной области.
В заключение нужно отметить, что все описанные выше исследования выполнены на кремниевых при борах. Однако недавно было показано [33], что эф фект сверхбыстрого переключения наблюдается также и в диодах на основе арсенида галлия.
2. Приборы па основе принципа коммутации с помощью задержанной j ударно-ионизационной волны
1. Диодные обострптелп импульсов
Физические явления, описанные в предыдущем разделе, могут быть использованы для создания сверхбыстродействующих приборов ключевого типа. Такие приборы ие имеют стационарной 5-образной вольт-амперпой характеристики и служат обострителями фронта исходного импульса формируемого более «медленными» переключателями; поэтому они были названы диодными обострителями (ДО). Кон-
Рис. 26. Осциллограммы коммутации «быстрого» ДО с ш„= =200 мкм, *5=2.3-10—2 см2.
а —. напряжение на ДО; б —. ток п накосекундном масштабе; в — ток в пикосекундном масштабе.
структивно ДО представляют собой диодную р +-п~п+- структуру, выполненную из кремния с удельным сопротивлением р=30—50 Ом-см; толщина тг-базы составляет 250—300 мкм. В таких приборах пере
ключение наблюдается при U' > 0 .5 -1 0 12 |
В/с, а оп |
|||
тимальным является £ /'^ 1 -1 0 12 В/с; |
при |
этом Um^ |
||
^ 3 кВ, время |
задержки |
составляет |
—3 |
нс, время |
переключения |
~0.2 нс, |
а коэффициент |
обострения |
х > 1 5 . Постоянное смещение на приборе обычно до вольно близко к порогу лавинного пробоя (1 кВ
< Uо < 1.5 кВ), т. е. начальная ширина ООЗ а0—
r^lOO мкм. Эксперименты показали, что для устой" чивой работы таких приборов толщина квазиней тральной части должна быть 150—200 мкм, так как при меньшей толщине развивающиеся на этапе за держки локальные лавины, образованные случай ными носителями, успевают «прорасти» до п ^кон такта, и прибор выходит из строя. Большая суммар ная толщина w-базы и ограничивает скорость пере ключения. Рабочая площадь прибора выбирается исходя из следующих соображений. Поскольку ем кость диода прямо пропорциональна его площади, то уменьшение площади снижает емкостный «пара зитный» ток на этапе задержки. Однако при этом растет плотность тока после переключения и, сле довательно, остаточное напряжение. Оптимальное значение площади при работе в цепи с р=50 Ом и
U'— l •1012 |
В /с составляет 0.1—0.15 |
см2. |
Ко времени написания этой книги был завершен |
||
комплекс |
экспериментов, показавший |
возможность |
существенно более быстрой коммутации. В резуль тате оказалось, что при 3—5)*1012 В/с пере ключение происходит и без приложения £/0, что Дает возможность уменьшить толщину тг-базы до 150— 200 мкм и сократить время переключения до вели чины, меньше 50 пс, т. е. до порога разрешения совре менных регистрирующих систем. Эти приборы должны иметь соответственно в 3—5 раз меньшую рабочую площадь, чем «медленные» ДО, для сохра нения на приемлемом уровне амплитуды емкостного тока на этапе задержки. На рис. 26 приведены ос циллограммы коммутации «быстрого» ДО. Напря жение переключения составляет 3.3 кВ, длитель ность фронта на нагрузке с р=50 Ом — менее 50 пс, мощность импульса в нагрузке равна 80 кВт, что примерно на четыре порядка превышает мощность, коммутируемую известными приборами пикосекунд
ного диапазона. Нестабильность переключения, оп ределяемая по степени размытия луча стробоскопа, не превышала 20 пс и определялась нестабильностью запуска генератора развертки. Следует отметить, что физический механизм переключения в «быстрых» ДО, скорее всего, отличается от механизма для «мед ленных» ДО и, вероятно, связан с туннельной иони зацией через примесные уровни в области макси мума поля.
Предельная частота работы ДО определяется временем рассасывания плазмы в и-базе и повыше нием температуры прибора вследствие коммутацион ных потерь. Плазма, образованная в /г-базе после пробега волны, рассасывается током за довольно малое время (10-8 с) [34]. Однако после образования ООЗ и обрыва тока в квазинейтрали остаются носи тели, диффузионный поток которых эквивалентен току утечки и препятствует созданию перенапряжен ной области. Присутствие этих носителей ограничи
вает предельную |
частоту следования импульсов |
|||
до |
~0.5 |
МГц при |
£/'^1*1012 В/с; с ростом |
U' пре |
дельная |
частота растет. |
потерь |
||
на |
Тепловые потери в приборе состоят из |
|||
этапе |
задержки, на фронте нарастания |
тока и |
на этапе рассасывания. На первом этапе ток в ООЗ является током смещения и не связан с выделением тепла, а потери в квазинейтрали можно оценить по верхнему пределу следующим образом. Плотность тока проводимости не может быть больше Js—qNdVal толщина области по мере роста напряжения меня ется от (шп—а0) до нуля, поле в ней — порядка Еа; тогда потери на этапе задержки Р я^ J3E3S (wn—
— а0) %^10~б Дж. Потери на фронте при линейном на растании тока Р ф 0.17/?пС/пТф~3*10~° Дж. Потери
на этапе восстановления, если длительность импульса тока \ меньше времени спада до нуля концентрации
плазмы у р +-?г-перехода, составляют PbazQ,brmUmnти~ с^З‘ 10-6 Дж (если ти больше этого времени, тогда потери растут на порядок и более). Таким образом, при теплоотводе 20 Вт/сма и допустимой температуре структуры 100 °С предельная частота будет около 200 кГц.
2.Триодиые обострнтели импульсов
Впредыдущем разделе отмечалось, что харак терное время обрыва тока в ДО составляет 1 0 '8 с. Однако в ряде случаев после резкого переключения необходимо вводить энергию в нагрузку в течение значительно большего времени. Это можно осущест вить в приборе, аналогичном РУТ, управляющий плазменный слой в коллекторной области которого создается не инжекцией эмиттеров, а пробегом ударноионизационной волны [35]. При резком подъеме напряжения на транзисторной п +-р-п-п+-структуре (рис. 27) расширяется ООЗ коллекторного р-п- перехода и при Е —Ет в р-тг-гг+-части возбуждается ударно-ионизационная волна. Расширение ООЗ свя зано с отходом основных носителей от плоскости коллекторного р-гс-перехода; в квазинейтральной части p -базы это приводит к появлению поля Еа,
вызывающего |
инжекцию электронов тг+-эмиттером |
|
и дрейф их со |
скоростью Vn—\xnEa к р-тг-переходу. |
|
К моменту образования волны |
(Е = Е т) дырки в р- |
|
базе отойдут |
от р-п-перехода |
на расстояние Ьр— |
= е е 0Ет(qNa)~x, а электроны от ?г+-слоя — на рас стояние Ьп=ЪЬр. Таким образом, электроны не успе
ют попасть в область высокого поля до образова ния волны, если выполняется условие:
WP ^ А» 4* Lp = (b -f-1) Lp. |
( 26) |
Рис. 27. Распределение поля в транзисторном обостритсле при быстром подъеме напряжения.
О—*координата коллекторного р-п-лерехода.
Вэтом случае у коллекторного р-тг-перехода об
разуется перенапряженная область и возбужда ется ударно-ионизационная волна точно так же, как и в диодной структуре. После пробега волны и за полнения плазмой всей и-области через структуру идет ток I, определяемый внешней цепью. Концен трация плазмы у коллекторного р-тг-перехода быстро уменьшается до значения, при котором перенос имеет
Рис. 28. Форма напряжения при переключении транзистор ного (1) и диодного (2) обострителей.
дрейфовый характер и электроны уходят от перехода в тг-область со скоростью
V « = J lq {p m + |
nm). |
(27) |
Здесь рт, пт— концентрация |
носителей в |
плазме. |
У р-тг-перехода возникает |
область объемного |
варяда шириной м>ооз=Уя£» на которой восстанав ливается напряжение:
гт |
?шоозР |
(28) |
|
^ООЗ — |
2ее0 * |
||
|
где p=iVrf- f JlgVt.
Электроны в p-базе, вышедшие из тг+-эмиттера, доходят до колекторпого р-тг-перехода через время
wр L/щ |
|
<„р = ~ ^7------*1*в |
(29) |
и, компенсируя объемный варяд р, останавливают нарастание напряжения (7ооз* Из (26)—-(29) следует,
что к моменту t= t„? |
|
Uо о з « UnNdINa. |
(30) |
Эти процессы протекают аналогично описанным ранее для РУТ; после того как все дырки ив п- области перейдут в p-область и прорекомбинируют там с проходящими электронами, ток через струк туру прекращается, а на коллекторном переходе восстанавливается запорное напряжение. На рис. 28 приведена осциллограмма напряжения на п+-р-п-п+- и р +-п-п^структурах при переключении. Параметры транзисторной структуры (iV^=10M см“3, Na= 5 х Х101Б см-3, М7р= 15 мкм, и;я=250 мкм) удовлетворяли
соотношению (26); у диодной структуры wn и Nd были аналогичными. Видно, что в транзисторе в от
личие от диода участок восстановления напряжения отсутствует; более того, напряжение спадает в те чение всего времени протекания тока (10 нс), опре деляемого длительностью импульса генератора.
3. Тнрнсторпые обостритслн импульсов
Если в тиристорной ?г+-р-71-р+-структуре возбу дить ударно-ионизационную волну, распространяю щуюся от коллекторного р-тг-перехода через широ кую тг-базу, то при последующем протекании тока через прибор выноса заряда практически не будет, и включенное состояние может сохраняться неогра ниченно долго. Однако для возбуждения волны в п+-р-п~р +-структуре скорость подъема напряжения должна быть очень высокой. Дело в том, что время пролета инжектируемых р +-эмиттером дырок через квазинейтральную часть ?г-базы приборов киловольтового диапазона при подъеме напряжения на при боре составляет wJVg^ 1 нс. Если скорость подъема напряжения Ur—1012 В/с (обычное значение для ДО и транзисторного обострителя), а постоянное смещение, например, 1 кВ, то время подъема напря жения до переключения (3—3.5 кВ) составляет ~ 2 нс. Это означает, что дырки к коллектору подой дут раньше, чем будет создана перенапряженная область, и ударно-ионизационная волна возбуж даться не будет. Для возбуждения волны необхо димо значительно увеличить £7'; это в принципе можно сделать с помощью диодных обострителей, но тогда генератор исходного импульса становится весьма сложным, а коэффициент обострения импульса на тиристоре — малым. Значительно проще оказалось возбуждение волны в гг+-р-гг-я'-р+-структуре, в ко торой между р +-эмиттером и тг-базой введен п'-слой с повышенной концентрацией донорной примеси