книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

6

Рис. 24. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) при пере­ ключении диода с параметрами, аналогичными указанным на рис. 23.

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

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.

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

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

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

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,

= 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:

дрейфовый характер и электроны уходят от перехода в тг-область со скоростью

варяда шириной м>ооз=Уя£» на которой восстанав­ ливается напряжение:

где p=iVrf- f JlgVt.

Электроны в p-базе, вышедшие из тг+-эмиттера, доходят до колекторпого р-тг-перехода через время

и, компенсируя объемный варяд р, останавливают нарастание напряжения (7ооз* Из (26)—-(29) следует,

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