книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

водимости) напряжение на диоде мало, а ток огра­ ничивается сопротивлением нагрузки. На втором этапе происходит образование областей объемного заряда у переходов, и в конце этапа все внешнее напряжение блокируется диодом. Процесс восста­ новления напряжения может быть очень быстрым, если в базе имеется сильное встроенное тормозящее поле, образованное градиентом концентрации при­ меси. Такие диоды — диоды с накоплением заряда (ДНЗ) [21 ] — формируют субнаносекундные пере­ пады напряжения. Однако рабочее напряжение ДНЗ сравнительно мало (десятки вольт), так как для получения большого градиента концентрации при­ меси необходим высокий уровень легирования. В вы­ соковольтных диодах с однородно-легированной ба­ зой процесс восстановления напряжения в обычных условиях [22] принципиально не может обеспечить высокое быстродействие, так как расширение об­ ласти объемного заряда р-л-перехода при восста­ новлении тормозится электронно-дырочной плазмой, заполняющей квазипейтральиую часть базы. Харак­

диодов может протекать очень быстро (за единицы наносекунд). Такие диоды были названы дрейфо­ выми диодами с резким восстановлением (ДДРВ). Оказалось, что для наносекундного восстановления высоковольтного диода необходимо, чтобы плазмен­ ный слой у блокирующего р-гс-перехода был доста­ точно тонким: тогда на медленно расширяющейся ООЗ, образующейся на его месте при рассасывании, падает значительно меньшее напряжение, чем ра­ бочее. Для создания такого слоя нужно, чтобы импульс прямого тока накачки Jp был очень корот-

Рис. 17. Распределение концентрации (а) и поля (б) при на­ качке ДДРВ.

1 —. в начале процесса; 2 —. в цоицо процесса.

кнм. Далее необходимо, чтобы одновременно с исто­ щением плазменного слоя вся базовая область пол­ ностью освободилась от избыточных носителей; в этом случае скорость движения границы ООЗ и, следо­ вательно, скорость восстановления напряжения бу­ дут определяться только скоростью движения основ­ ных носителей. Наконец, поле в базовой области

это означает, что рабочая плотность обратного тока 7л жестко связана с проводимостью базы.

Следуя [16, 25], рассмотрим эти процессы более подробно. Процесс накачки ДДРВ импульсом пря­

мого тока ничем не отличается от аналогичного про­ цесса создания управляющего плазменного слоя в РВД, за исключением того, что в выражениях для напряжения на структуре отсутствует член ЩхГ

Распределение концентрации и поля в конце накачки показано на рис. 17 (кривые 2). Процесс рассасы­ вания накачанного заряда при реверсе внешнего напряжения также описывается уравнением (1) разд. 1, которое не изменяется при одновременном изменении знака тока и времени. Это означает, что описываемые им процессы симметричны во времени относительно момента переключения тока с пря­ мого на обратный при сохранении вида граничных условий, и для диода с бесконечной базой любая точка профиля распределения концентрации P {Xti)

будет возвращаться при реверсе симметрично дви­ жению ее при накачке. В реальных приборах точки профиля, достигшие га+-тг-перехода, «сходят» с ха­ рактеристик уравнения (1) разд. 1 и симметрия на этапе обратного тока нарушается.

Начальное распределение электронов и дырок, созданное импульсом тока пакачки, описывается выражением (5) разд. 1. Для определенности при­ мем, что /y= con st, тогда это выражение имеет вид:

Примем, что на этапе восстановления выполня­ ется режим генератора тока /«= con st. С учетом этих допущений, а также «симметрии» уравнения (1) разд. 1 для изменения обратного напряжения во времени имеем:

где Г = / ^ / / л; tF— длительность импульса тока накачки. Выражение (2) справедливо для tF^>tcl„ что соответствует внесенному заряду:

Q== Qo— QwnNd •

Если длительность импульса накачки tF > fCM т. e. Q^>Qot то У п+-и-перехода образуется плазмен­ ный слой (#2 (см. рис. 3). При протекании обратного тока этот слой будет источником дырок и до его исто­ щения на границе х=т п поле Е 0; здесь форми­ руется концентрационная волна, подобная волне

в РВД. Несложно показать, что напряжение на структуре при этом является постоянным и равным:

Однако в отличие от РВД формирующий эту волну плазменный слой быстро истощается. Момент истощения ta можно определить из равенства выне­ сенного заряда накопленному в слое QF2•

где Q2 определяется выражением (15) разд. 1. После истощения слоя <#°2фронт концентрацион­

ной волны будет отходить от тг+-тг-перехода, оставляя после себя область с концентрацией электронов, определяемой исходным легированием; поле в этой области EQ= J R ( q N ^ y 1. Поскольку при биполяр­ ном дрейфе скорость движения носителей тем больше, чем меньше их концентрация, то крутизна заднего фронта волны и крутизна скачка поля будут нара­ стать, т. е. образуется ударный фронт — «разрыв» [15]. Физически его толщина определяется диффузией

Рис. 18. Распределение концентрации (а) и поля (б) в ДДРВ при протекании обратного тока.

иобъемным зарядом. Распределение^копцентрацип

иполя на этом этапе показано на рис. 18. Перед удар­ ным фронтом дырки движутся быстрее, чем сам фронт, т. е. концентрация на фронте по мере движе­

очевидно, равно времени выноса обратным током заряда, оставшегося в приборе после рассасывания слоя ^ Э2:

После появления разрыва в базе образуются две области (рис. 18): слева сжимающаяся модуляцион­

нее значение поля в левой области остается постоян­ ным в течение времени, необходимого для выноса заряда, оставшегося к моменту образования разрыва. Это поле E01= U CQnst w-1. Зная значение полей и ско­ рость движения границы между ними, можно опре­ делить напряжение на приборе для времени t > ta:

Одновременно с описанными выше процессами происходит удаление заряда из диффузионного слоя Как было показано ранее, при накачке в слое накапливается Ъ от полного числа вошедших в диод дырок, а в модуляционную волну уходит (&+1)-1^0.25. Поскольку накачка и рас­ сасывание происходят за время, много меньшее времени жизни дырок в базе, эти соотношения со­ храняются и при рассасывании. Поэтому окончание процесса удаления дырок сжимающейся модуля­ ционной волной, т. е. момент прихода разрыва к гра­ нице диффузионной области, точно совпадает с мо­ ментом полного истощения диффузионной области аРх. Это означает, что подход разрыва к области за­ вершается очень резким и полным истощением всей гс-базы от неравновесных носителей, и дальнейшее протекание тока возможно только за счет удаления основных равновесных носителей, приводящего к об­ разованию ООЗ. Прежде чем рассчитывать этот про­

перехода (рис. 18). Плотность объемного заряда в ней определяется концентрацией легирующей при­ меси Nd и дрейфующих дырок p = N d-\-jR (дЦрЕ)"1, а напряжение, соответственно, {7од=#рж2/2ее0, если

принять распределение р однородным. Поскольку оптимальпая величина JR должна обеспечивать на­ сыщенную скорость перемещения основных носителей в базе (Jii=qNdV!t)1 то в ООЗ, где дырки тоже дви­ жутся с насыщенной скоростью, Р ^ Nd. Тогда в конце процесса рассасывания слоя ^

Процесс быстрого восстановления обратного на­ пряжения па диоде начинается только после полного удаления из базы всех неосновных носителей. До этого времени на приборе происходит сравнительно медленное нарастание напряжения, определяемое процессами, описываемыми выражениями (3), (6) и

после восстановления была много меньше характер­

рочная плазма, тормозящая процесс расширения.

было достаточно мало, суммарное время £=£Н -£п+£1 всех процессов также должно быть малым; поскольку

Рис. 19. Восстановление области объемного заряда при уда­ лении равновесных носителей, распределение концентра­

ции (а) и поля (б).

пример, если принять, что для диода с рабочим на­

~ 0.6* 10"° с. В дальнейшем при расчете процесса восстановления полагаем, что осуществляется именно такая ситуация, и 17ол можно пренебречь.

Восстановление обратного напряжения после уда­ ления из базыХвсех неосновных носителей будем рассчитывать для эквивалентной схемы, состоящей из последовательно включенных диода и сопротив­ ления нагруэки Ra. Внешнее напряжение U ос­ тается постоянным и в процессе расширения ООЗ перераспределяется с нагрузки на диод. Это ведет к уменьшению общего тока в цепи и соответственному уменыпеникГполя Е0, в котором дрейфуют электроны в базе диода. К моменту начала восстановления

в базе устанавливается поле Z?(r>0)= E0= J R (qNjP')-1; при этом Р (х , о)= 0, n(x 0)= N fr Под действием поля Е0 электроны дрейфуют в сторону и+-контакта, оставляя у р +-/г-перехода нескомпенсированный заряд доноров (рис. 19). Характерный размер В размытия заднего фронта уходящего потока электронов равен дебаевскому радиусу экранирования (менее 10"4 см

Падение напряжения на базе диода Использовав (9), получим

где d = \J2&e0UlqNd— ширина 003; a = d/[xu-\-RnC) wn; xu = eB0lqNd\i>n — максвелловское время релаксации в базе; С = ее05/и;Л— емкость диода между р* и п+- слоями.

Напряжение на диоде UU) = Uооз + Ut0. Продиф­ ференцировав (14) и с учетом (10) и (11), получим:

AUw„________ exp (at)

рядка десятков-ом, т. е. практически скорость на­ растания напряжения на диоде при восстановлении определяется постоянной RUC. Скорость роста на­ пряжения растет с уменьшением Ru, но при этом растет и плотность обратного тока; оптимальной плотностью является JR=JR8—qNaVsJ так как при этом удаление основных носителей на начальной стадии происходит с предельной скоростью. При задаипой амплитуде формируемого импульса напря­ жения и, следовательно, рабочего напряжения диода оптимизация плотности тока осуществляется соот­ ветствующим подбором площади прибора либо со­ противления нагрузки.

Анализ физических процессов при накачке и вос­ становлении ДДРВ проводился для ступенчатой формы изменения тока. Этот идеализированный случай, значительно упрощающий рассмотрение, па практике естественно не реализуется. ДДРВ ис­ пользуется как обостритель исходного импульса, который обычно нарастает Довольно медленно по линейному либо синусоидальному закону. Однако