Нестационарные инжекционные и тепловые процессы в сверхмощных полупроводниковых переключателях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

1-9 Я 9

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. А. Ф. ИОФФЕ

На правах рукописи УДК 621. 382

ПАНАЙОТТИ Крина Евгеньевна

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ ИНЖЕКЦИОННЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В СВЕРХМОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯХ

(01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

... -...А

Работа выполнена в Физико-техническом институте им. А. Ф. Майе Российской Академии наук.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник. Лауреат Государственной премии СССР

A. В. Горба тюк

доктор технических наук, профессор

B. В. Тогатов,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Цэндин Константин Дамдинович.

Всероссийский электротехнический институт им.В.И.Ленина (г.Москва)

Защита состоится "Д^ ■•^¿ййя^ЛУдЪЪ года в ^час, ^мин. на заседании специализированного совета К 003.23.01 при Физико-техническом институте им. А. Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021. Сашт-Петербург. ул. Политехническая. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в биСлиспке института. Автореферат разослан ">Л 1993 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь

специализированного совета Г. С. Куликов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в области коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Прогресс в этом направлении связан с появлением нового типа переключателей микросекундного диапазона времен - кремниевых реверсивно-включаемых дикисторов (РВД), обладающие рядом бесспорных преимуществ по сравнению с использовавшимися ранее для этих целей тиристорами.

В основу работы РВД заложен новый принцип коммутации электрической мощности с помощью управляющего плазменного слоя [1]. Его использование позволяет осуществлять включение прибора одновременно по всей рабочей площади. Длительность процесса включения оказывается в десятки раз короче, чем у обычного тиристо-тора, что значительно снижает коммутационные потери и резко улучшает рабочие характеристики. В настоящее время РВД являются наиболее мощными среди других полупроводниковых переключателей микросекундного диапазона. Так, моноимпульсные приборы с рабочей площадью "40 см2 могут коммутировать токи амплитудой до ~270 кА при длительности импульса ~25-100 мке и блокировать напряжение в единицы кВ [1]. Рабочий ток в РВД, в отличие от тиристоров, почти не уменьшается с ростом частоты, поэтому частотный предел у них намного выше и определеяется в основном временем выключения. Для созданных нодавно быстродействующих приборов рабочая частота достигает ~10-15 кГц при амплитуде тока в импульсах до 2 кА [2].

Переключение тока в РВД происходит за счет специальной последовательности переходных процессов двойной инжекции электронно-дырочной плазмы в их толстых базах. Анализу этих процессов посвящено большое количество исследований. Однако, в данном случав инкекция плазмы протекает в новых, ранее слабо изученных физических условиях. Их специфика связана с тем, что в РВД за короткие вромвна (единицы-десятки мке) достигаются очень большие плотности токов (болоо 10 кА/см2 ). Подобные режимы имеют ряд особенностей. Во-первых, они характеризуются принципиальной нестационарностью всех физических процессов. Во-вторых, из-за перехода в микросекундный диапазон времен резко снижается роль диффузии плазмы, и основным механизмом переноса заряда становит-

ся ее амОиполярный дрейф. В-третьих, вследствие неэффективности охлаждающих систем для микросекундных импульсов, коммутация энергии происходит в условиях накопления тепла, и температура к концу импульса может подниматься на сотни градусов. В этом случае двойная инжекция сопровождается такими высокотемпературными эффектами, как изменение значений кинетических коэффициентов-, мекзонная термогенерация плазмы, различные термомеханические явления и т.д. До настоящего времени в научной литературе отсутствовали данные о<3 аналитическом описании подобных быстрых", сильноточных и существенно неизотермических процессов.

Использование РВД в схемах мощных высокочастотных генераторов ставит новые исследовательские задачи, обусловленные отличием условий эксплуатации и характерных параметров быстродействующих высокочастотных приборов от сверхмощных моноимпульсных коммутаторов. При этом особую актуальность приобретает вопрос о максимально возможном снижений мощности управляющих устройств и определении условий, обеспечивающих минимальные коммутациошше потери при включении быстродействующих РВД.

Актуальность и новизна исследования инфекционных явлений в новом, ранее мало изученном техническом диапазоне Еремен, токов и температур связаны с тем,что они представляют собой пример физических процессов на пороге устойчивости и в то же время оказываются типичными для рабочих и аварийных режимов, реализуемых в новых сверхмощных переключателях. •

ЦЕЛЬЮ данной работы является теоретическое исследование инжекционных, тепловых и термогенерационных явлений в мощных импульсных переключателях нового типа - кремниевых реверсивно-включаемых динисторах, построение аналитической модели амбипо-лярного дрейфа плазмы в характерном для этих приборов диапазоне времен, токов и температур, разработка на ее основе методов' расчета как изотермических, так и неизотермических переходных характеристик, изучение физических факторов, ограничивающих коммутационные возкса-ностн РВД, я та)и:е нахождение услопий их максимально эффективной работы и определешю предельных параметров импульсов.

В соответствии с этим задачами работы являлись: 1. Построение аналитической модели неиготермичееккх процессов в

РВД и мощных импульсных диодах микросекундного диапазона.

2. Исследование и аналитическое описание взаимо-согласОванных дрейфового и термогенерационного механизмов накопления плазмы в условиях нестационарного даоулева разогрева канала двойной ин-жекции.

3. Исследование особенностей процессов включения быстродействующих РВД, выявление факторов, ограничивающих эффективность их работы, и определение условий, обеспечивающих минимальные коммутационные потери при включении.

4. Нахождение критериев максимальной тепловой перегрузки сверхмощных РВД и определение предельно-допустимых параметров коммутируемых импульсов.

НАУЩАЯ НОВИЗНА проведенных исследований представлена в нижеследующих пунктах:

1. Проведено теоретическое исследование особенностей инфекционных, тепловых и термогйнерзционных явлений в ранее слабоизу-ченном диапазоне времен, токов и температур, характерном для работы новых мощных полупроводниковых переключателей.

2. Построена аналитическая модель пространственного саморазо--греваканала двойной инкекции. под действием импульса тока микросекундной длительности.

3. улервые сделано теоретическое исследование развития термогенерационных процессов в канале двойной инжекции при его разогреве мощным моноимпу чьсом тока микросокундаой длительности.

4.Иоол«допзно влияние различных физических факторов на эффективность управления РВД. Найдены условия , обеспечивающие минимальные коммутационные потери при включении этих приборов.

5. Дан теоретический анализ физических особенностей работы сверхмодных РВД. Предложена методика расчета их нэизотермичес-ких пароходных характеристик.

6. Установлены предельные коммутационные возможности РВД- ограничиваемые теплошми потерями.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТ». Полученные результаты используются для расчета рабочих ражимов и переходных характеристик сверхмощных и быстродействующих РВД, а также позволяют вырабатывать практические рекомендации по их эксплуатации.

- б -

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ,ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. В кремниевом канале двойной инжекции, разогреваемом импульсом тока микросекуадной длительности, амбиполярный дрейф плазмы протекает в условиях нестационарного локально-адиабатического накопления тепла. При этом разогрев полупроводниковой структуры неодинаков вдоль направления тока с самого начала импульса, и в случае однородного начального распределения температуры максимум тепловыделения находится вблизи эмиттера электронов для материала п-типа. По мере развития инфекционного и теплового процессов,вследствие падения подвижностей электронов и дырок с ростом температуры, а также сникения темпа накопления плазмы, в наиболее горячей области токового канала возникает положительная обратная связь мевду температурой и электрическим цолем, что приводит к резкому уменьшению проводимости и дальнейшему ускоренному росту тепловых потерь.

2. Если амбиполяршй дрейф плазмы протекает в условиях, когда температура кремниевой структуры поднимается на несколько сотен градусов в течение одного импульса, и при этом рассматриваемые временные интервалы оказываются соизмеримыми с временами перезарядки генерационных центров, то, вследствие неоднородности тепловыделения вдоль линии тока, развитие явлений, связанных с термогенерацией, приобретает характер "волны" повышенной концентрации и температуры, распространяющейся от катода к аноду. Темп этого процесса зависит от параметров импульса тока.

3. Эффективность управления РВД определенным образом снижается из-за влияния следующих факторов:

а) рекомбинационные потери как на этапе накачки, так и основного импульса;

б) потери части вкачиваемого заряда на разрядку емкости коллектора; '

в) потери части накопленного заряда на разрядку. обратпо-смещенного катодного эмиттера в начале пропускного периода;

г) потери, связанные с длительностью процесса установления дрейфэвого механизма инхекции плазмы на начальном этапе коммутации.

.«,. Коммутационные возможности сверхмощных моноимпульсних РВД огршпг-ишахЯГся. теплоЕыми потерями. В экстремальных режимах тем-

пература полупроводниковой структуры приборов поднимается на несколько сотен градусов. При этом на переходных характеритиках и(г) наблюдается динамичоский под'ем, связанный с лавинообразным ростом тепловых потерь. Последующий за ним спад напряжения с характерным прогибом книзу на кривой графика и(г) свидетельствует о подключении термогенерационных процессов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации прошли апробацию на Всесоюзно:.! совещании "Математическое моделирование физических процессов в полупроводниках и полупроводниковых приборах", .Паланга, 1987г. и на научно-техническом семинаре "Электроника дефектов в кремнии и структурах на его основе", Киев, 1989г.

ПУБЛИКАЦИИ.. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ. Их список приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБ'Вг ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, пяти глаз, заключения и списка литературы, содержащего 96 -наименований. Об'ем диссертации составляет 140 страниц .машинописного текста, включая 26 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность теш диссертации, сформулирована ее цель, дано краткое содержание диссертации по главам и представлены основные научные положения, выносите на защиту.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ приведен обзор научной литературы по вопросам исследования процессов двойной шгавкщсл в полупроводниках.В ней также списаны основные принципы коммутации энергии РИД и указаны особенности процессов их включения.

Включение РВД осуществляется путем подачи кратковременного управляющего импульса тока с противоположной по отношению к основному импульсу полярностью (Лк(Гко, где 0<НЧп). При этом происходит накачка плазмы в толстую уысокоокную п базу прибора, вследствие инфекции электронов и дцрок из г.у- и р-контактов. Ь результате распространения амбиполярной др^фовсй волны в окрестностях этих контактов образуются тонкие (~10 мкм) однородные по площади обогащенные до концентраций -ю1" см"3 плазменные слои. Дальнейший коммутационный процесс осуществляется по;;

- о -

действием внутреннего.источника управления, роль которого выполняет прнкатоднкй плазменный слой, нейтрализующий пространственный заряд коллекторного рп-перехода. При включении РВД уровень переходных потерь определяется концентрацией плазмы, накопленной в этом слое к моменту переключения полярности, т. е.. зависит от величины заряда накачки ^»^"Лдсоас. Наиболее устойчивыми оказываются такие режимы работы РВД. в которых после запуска прибора не происходит полного истощения управляющего слоя и образования на его месте области сильного поля- В случае выполнения этого условия включение РВД осущестгляется однородно и одновременно по всей его площади.

В последующем процессе модуляции п-базы катодный и анодный плазменные слои играют ту же роль, что и обычные р'- и п -эмиттеры диодов, являясь эффективными инжекторами электронов и дырок. гак что кзиду ними на внутреннем интервале п-базы реализуется резким двойкой иккзкции. Это позволяет рассматривать механизм токопрохсвдсния в РВД и "длинных" высоковольтных диодах с единой точки зрения, основываясь на анализе процессов двойной инфекции квазинейтрзльной плазмы в р+пп*-структуре. Из-за очевидной физической аналогии к сильного подобия электрических характеристик описанный реким работы РВД был назван квазидиодным.

Созданная несколько лет назад упрощенная теория включения РВД сзз является недостаточной и не может объяснить ряд новых экспериментальных результатов.

Анализ литературных источников позволил определить базисную систему уравнений для исследования инфекционных и тепловых процессов в РВД и подобных им диодных структурах-.

«Эр. <3р р >5 <3р

ССТ>-К-\г—- = «ТЭ- г

С15

сН СЬ+1 Эр+ЬМ 1

——^

п,СТ> -/"N „

1 с0 3/2 СЗСТЗ ---= - С Т/Т5 ехрС-Е -'С 2кТ; 3 ; С23>

ТС 0 *

сГГ .Г*С О

£2!. с^бСхЛ) срчч '1СЬ+13р+ЬК 3

р а

р - концентрация пз5ыточной плазмы; " УР5ВЗНЬ легирэканяя л-базы;

С 33

ь - отношение подвижностей электронов и дырок. Эта система состоит из уравнения амбетюлярпого дрейфа 'плазмы, учитывающего рекомбшациошше потери к=ргт и термогенерэционное накопление плазмы е=г> стэ/'тс и уравнения адиабатического нагрева решетки.

До настоящего временя в научной литературе отсутствовал:! сведения об анализе данной самосогласованной распределенной нестационарной задачи.

В конце главы сформулированы конкретные задачи диссертации.

ВТОРАЯ ГЛАВА диссертации посвящена 'построению аналитической, модели амбиполярного дрейфа плазмы в условиях нестационарного джоулева разогрева.

Для каждого сечения токового канала всегда существует этап предварительного разогрева с чисто инфекционным механизмом роста проводимости cv--v&p/в* » GCTD5. Поэтому в данной главе теоретическое исследование ограничивается анализом системы с1-35 без учета термогенерации плазмы gct>=o.

С целью построения теоретической модели были сделаны следующие допущения:

13 fj СТЭ=Ьр етэг: Ы+ Ь=соnstCT3=2.8; /?=г,з;

П р рО о

23 T=const<T3;

35 Максимальный ток в канале ограничен значениями.при которых es10* В^см. что исключает из рассмотрения нелинейные эффекты сильного поля.

Если во внешней цепи реализуется розам генератора тока, т.е. вид J<o задан, то уравнение ci3 в указанных приближениях не зависит от температуры и. следовательно, может быть рассмотрено отдельно от уравнения адиабатического нагрева решетки.

При решении уравнения ci3 были рассмотрены два различных случая-.

; р/"т « V=-v<?p/<Jx; •» 3p/et=~vep/d-A-, С 43

£3 p»N ; р/т-vs; V=-v<?p>ax; 3p/<?t,=p/-r-v<Jp/£íx; С 33

а

Для каждого из них приведены общие решения при произвольных начальных РдСхЗ=р<1=0.хЗ И РГрС t3 =рС t. х=оэ граничных условиях. Однако- в расчетах инжекционных процессов в РВД и подобных им диодных структурах граничные концентрации мозаю считать беско-

нечными [3i. т. е.

- ю -

p¡Tp(tÍ=pCt.x=03s; JCO/ECx^O.O-. са С6Э

Поэтому все дальнейшие вычисления основываются на этом практически важном граничном условии.

Если в канале двойной ияжзкции протекают такие большие токи. что высокий уровень инжекции достигается за время tT<< т. и для всех o<t<tT выполнены условия с«, то на этом этапе, очевидно. можно не учитывать рекомбинационные потери. Но по мере накопления плазмы темп рекомбинации увеличивается с одновременным уменьшением скорости амбиполярнсго дрейфа cv-p"2D. и это приближение становится неправомерным. Поэтому при t,T<t<t концентрационные профили описываются с помощью уравнения сзз. учитывающего рекомбинационные потери. Начальным условием для него служит распределение, полученное при решении уравнения с45 в момент времени Если к началу импульса в канале деойной

инжекции отсутствовала избыточная плазма, т.е.

р Cx3=pCL=0.x}=0. С7Э

н

то полное решение исследуемой задачи имеет вид;

.1/2 „ t =Т О

рС х, О =СЬ>1Э" 1 ^bNdQCO/-Cqx3 j "bNdJ ; ОСО=/ JCOdt; 0<t<t-T

рСх.О »СЬ-ИГГ'ехрС . С8Э

1 1/2

Т.о.. считается. что рекомбинация не участвует в модуляции проводимости с самого'начала инжпкциокнсго процесса с^оэ. а появляется лишь в момент времени 1=1-т по мэре достижения еысокого уровня инжекции. Это приближение оказывается справедливым при

описании инжокциэшшх процессов в РБД и подобных им диодных

2

структурах, где величина «. уже при токах -1 кА/см не превышает :оо нс. что заведомо много меньше обычных значений >~1-30 же.

В данной глг.в'? также сделаны оценки влмния Окэ-рексмояиа-

ции на распределение плазмы в токовом канале и показано, что практически на всем его протяжении за исключением лиаь очень тонких приконтактних слоев ¿х~с 0.6-6 мкм> выполняется соотношение кОК0 « р/т. Тем самым доказана правомерюсть используемого в расчетах приближения

При дрейфовой кнжекцпи концентрация плазмы увеличивается во времени примерно кок уЩГ). Поэтому на начальных этапах, которые можно считать изотермическими. проводимость растет по такому же закону, а мощность тепловых потерь уменьшается со временем. Затем после достижения высокого уровня инжекции ср > юы э скорость амбкполярного дрейфа снижается, что замедляет спад джоудевых потерь. При нагреве структуры на сотни градусов подвижности электронов и дырок из-за усиления решеточного рассеяния уменьшаются в несколько раз. и на некотором этапе проводимость в токовом канале, несмотря на продолжающееся увеличение ,концентрации плазмы, не только замедляет свой рост, но и снижается по мере накопления тепла. Это увеличивает электрическое поле/ ведет к росту мгновенных тепловых потерь и. следовательно. к дальнейшему росту температуры. Т. о.. в исследуемом неизотермическом процессе происходит установление локальной положительной обратной связи между электрическим полем и температурой. А т. к. за время, и тепло не успевает выводиться из рабочего об' ема. его накопление приобретает лавинообразный характер.

Для амбкполярного дрейфа плазмы свойственна асимметрия концентрационного профиля вдоль направления тока с максимумом со сторош анода сх=оэ и минимумом у катода э.Еслк начальная температура всюду одинакова, локальная проводимость ¿с*.о тоже имеет минимум у катода. Здесь располагаются максимумы электрического поля и мощности тепловых потерь, так что максимальный нагрев структуры локализуется в этом же месте. При достаточно большой мощности импульса область, расположенная вблизи катода вносит основной вклад в падение напряжения, на токовом канале и а экстремальных резкмах является наиболее опасной с точки зрения тепловой аЕарии. В случае, когда к/.ее тс я начальная 'неоднородность тс >о с максимумом, сдвинутым к аноду, положение минимума ¿с*.о может и но совпадать с штймумом рсх.о. тогда процесс динамической локаяксашш тепла окажется .белее сложны«.

С целью описания пространственной картины нестационарного дасоулева разогрева-было решено уравнение адиабатического нагрева решетки сэз с учетом найденного ранее распределения плазмы с83 для произвольного начального распределения температуры в канале двойной инжекции тс!=оз=т0х:

[ • __. 1/< 1-/Э)

СТ>т0:>1~'?-С/?-1:>АУх 1=-0С ьэ ] • о<ъ<ът

0 се>

им

t

ЛоехрКЪ-Ъ Э/т) Л

ГсКЪ Э+/ ХЪ5вхр1гС1-1тЭ/'г5с|0

т т 1 . '

г

Были также рассмотрены предельные случаи т'-*® и Решение

свз позволяет получить аналитические выражения для нестационарного распределения электрического поля . где неизотермические зависимости исо. а также локальную р «есх.олсо и усредненную по об'ему РСр=исоплотности мощности тепловых потерь.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ проведено теоретическое исследование термогенерационных процессов в канале двойной инжекции при его разогрева мощным моноимпульсом тока микросекундной длительности.

В случае достаточно большой амплитуды пропускаемого импульса тока температура полупроводниковой структуры может увеличиться настолько, что скорость термогенерации плазмы начнет преобладать над темпом ее, инжекционного накопления. При этом если время перезарядки генерационных центров оказывается соизмеримым с длительностью рабочего импульса, то в рассматриваемом масштабе времен термогенврациошше процессы развиваются относительно медленно, так что связанная с ними поперечная неустойчивость однородного токораспредбления может ие успевать за время

приводить к критической степени локализации тока и тепловыделения, когда происходит термомеханическое разрушение

полупроводниковой структуры.

На этапе предварительного разогрева температура еще недостаточно велика, и в токовом канале выполняется условие g«v. Затем в некоторый момент времени t-„ в плоскости максимального разогрева x=w^ достигается такая температур^ т^. что скорость термогенерации плазмы сравгагеается со скоростью ее инжекционно-го роста g=v. т.к. температура в канале двойной инжекции при фиксированном t монотонно уменьшается в направлении дырочного эмиттера, но продолжает в каждом сечении нарастать во времени, условие g=t последовательно выполняется на движущейся плоскости х=?со. которую можно рассматривать как фронт "волны" термогенерации. Перед этим фронтом сх<?со:> находится область предварительного разогрева, и здесь за исключением ближайшей к плоскости ?ct5 окрестности продолжает выполняться неравенство e«v. за фронтом cx>?ctD? в области преобладания термогенерации, вследствие сильной зависимости в от т и резкого падения скорости амбиполярного дрейфа с ростом концентрации v~i/p2. баланс между g и v быстро меняется в пользу термогенерации, так что за пределом некоторого переходного слоя <5«*п выполняется неравенство e»v. Однако, из-за конечности скорости термогенерации плазмы мгновенные значения концентрации р могут отставать на время порядка тс ее от равновесных значений, соответствующих мгновенной температуре тс о.

Мгновенные координаты ?со и температура т? границы области термогенерации определялись из условия g=v с помощью полученных ранее нестационарных распределений концентрации плазмы сеэ и температуры сэ>. При этом оказалось, что для jco -const

очень слабо зависит от х. Поэтому в расчетах процессов в области термогенерации использовалось однородное начальное распределение температура.-

T,Cx3=T.Cx=w Э=Т„ =const. С10Э

К К п х

Область термогенерации описывается системой уравнений:

сю

С12Э

= G - р/т dlVdt. = J2CT.T03^lcpqMp0Cb+lDp)"1.

Ее решэнке было найдено в следующем виде:

р^Сх^СТ.-Г^Э

рСх.О = - ; С13Г>

1+РгСх5Г2СТ.Тж?/рт

С » + т1п|1+р?СхЗГ2СТ.Т)(3/-рт^; <145

./^Т/^Э^'^ехрС-Е^гкТПсКТ.'Т^; т

г2ст,тжз = * ст/т^'^ст.-г^эсктт0?;

1/2

р.СхЭ » р С« Хх31/2 Г1-С1-2Ъ /тЭехрС-ЗС^-Ъ З/тЛ ; { м п т С т

р = CЬ+lD"SCЬN.тJ/C2qw Э31/2; Л.„»и:х»{ .Т=ТЭ;

V С Л Ч ~

Динамическое распределение температуры С143 представлено в виде обратной функции, а эволюция концентрационного профиля описана параметрически с помощью выражений озэ и с 145.

Из-за быстрого роста локальной проводимости в области термогенерации происходит уменьшение локального электрического поля по море удаления от границы Т.о.. за фронтом г с о мощность джоулевых потерь «икается, и температура после быстрого псд'ема приобретает тенденцию к насыщению.

Полученные решения использовались для расчета динамических пространственных распределений электрического поля и падения напряжения. В работе был также исследован предельный случай слабого влияния рекомбинации и найдены соответствующие зависимости рСх.О. ТСх. О.ЕСх. О, РдСх, О И IX О .

Признаком подключения термогенерациошшх процессов следует считать появление на кривой исо характерного прогиба книзу по закону с"1-*,"2. Такие прогибы наблюдаются на экспериментальных характеристиках сверхмощных РВД в предельных режимах коммутации электрических моноимпульсов- Их вид свидетельствует о ток, что в условиях интенсивной термогенерации может протекать значительная сдо половиныэ часть всего коммутационного периода.

- IS -

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена исследованию физических условий, обеспечивающих работу РВД в квазидиодном режиме и установлению степени влияния различных факторов на эффективность их управления.

Экспериментальные исследования процессов включения, быстродействующих РВД показали значительные расхождения между реальными характеристиками и расчетными результатами, полученными на основе теории t зз, разработанной для сверхмощных моноимпульсшх коммутаторов. Особенности процессов включения быстродействующих РВД связаны, во-первых, с тем. что время жизни носителей тока в n-базе у этих приборов становится сравнимым с длительностью импульса управления ст-t -i-з мксэ и. во-вторых, с существенно меньшей плотностью рабочего тока. С целью построения адекватной теории в физической модели был учтен ряд дополнительных факторов. влияющих на эффективность управления РВД: аз потери во время накачки части накапливаемого в n-базе заряда на разрядку емкости коллекторного рп-перехода. предварительно блокировавшего внешнее напряжение: бэ рекомбинационные потери в процессе накачки РВД; вэ потери части накопленного в n-базе заряда на разрядку обратно смещенного катодного эмиттера в начале пропускного периода-.

гэ потери.связанные с длительностью процесса установления дрейфового механизма инжекции на начальном этапе коммутации-, до рекомбинационные потери части накопленного заряда после переключения РВД.

Вывод условия работы РВД в квазидиодном режиме основывался на рассмотрении баланса заряда в управляющем плазменном слое. Полученный в.результате критерий позволяет определять величину минимально необходимого заряда накачки, обеспечивающего реализацию этого режима. В случае полусинусоидальной зависимости управляющего тока от времени JRct3=jnmsincnt/tR5 и линейного нарастания тока в начале основного импульса dj/dt=const его математическая формулировка имеет вид трансцендентного уравнения относительно о^1":

Q^ +йагС20^.-Ы Cd.l/dO exptCQj- /а} CdJ/dt3 а ] =

- ю -

« I2aM2^Cb+133CdJ/'dt3 ftr /О -Ъ/СЬ+l 31expt At . -

^ * n min

- tr Ст-At 33/t» Ст-т ЭЗехрСдЪ /тЗ + b^Cb+ljl; C1S3

• с n » с j

Л1т1п=1ш1п~1'ВС(СЬ+1Э 1 [2bQN/CdJ/'clL3) 1/2+ j ;

Q=bN w ; »■»Cl+Ct„/TlT32J II +oxpC-t„/T3 3" 1 ; T =C»_1 ■•т"1Э"1; Ti dn R R • n n

Ätc»t2«e0E^y<dJ/'dO3I/2; E^-5' 105 R'CM; wn. w Т ширина n- И р-базы;

« . тп - время пролета и время жизни электронов в р-базе. Рассчитанные на основе cisi характеристики управления быстродействующих РВД хорошо согласуются с экспериментальными данными. что свидетельствует о правомерности использованной методики расчета. Анализ -результатов показывает, что из всех дополнительно учтенных факторов рекомбинационные потери в наибольшей степе™ снижают эффективность управления быстродействующих РВД. Так. при т-t. они достигают зо-боя от всей величины с£|п. Кроме того наблюдается очень сильная зависимость между минимально необходимым зарядом накачки и параметрами р-базы с»п и т^з.

Критерий С1вз справедлив при любых скоростях нарастания и амплитудах тока, а также при любых соотношениях между временем жизни носителей заряда в п-базе и длительностью импульсов. Поэтому он может бить использован в расчетах процессов включения как быстродействующих, так и сверхмощных РИД

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ сделан анализ физических особенностей работы сверхмощных моноимпульсных РВД. приведены методики расчета их неизотермических переходных характеристик, а также сформулированы критерии максимальной тепловой neperpysiai этих приборов.

Исследование физических условий коммутации энергии сверхмощными РВД показало, что несмотря на соизмеримость значений т. и t . вследствие очень высокого текла дрейфового накопления плазмы в n-базе. в течение большей части импульса выполнено условие R«v. Это позволяет с достаточной для практических цолей точностью рассчитывать переходные процессы в сверхмощных РВД без учета рекомбинационных потерь.

Вместе с тем. сделанные в работе расчеты указывают на то. что при коммутации сверхбольших мощностей перепады температуры в n-базах приборов достигают сотен градусов, и в наиболее горя-

чей прикатодной области она поднимается до 700-1000 к. Следовательно. сверхмощные РВД работают в очень жестких температурных условиях, и ото необходимо учитывать в расчетах их переходных характеристик.

Вид переходных характеристик исо в значительной степени зависит от амплитуды коммутируемых импульсов тока. Так, при относительно малых токах -з кА/ем2 экспериментальные зависимости исю образуют семейство кривых, монотонно убывающих с течением времени. Но по мере увеличения Jn сначала обнаруживается ограничение спада ис о. а затем на переходных характеристиках появляется динамический под1ем. обусловленный чрезмерным джоу-левым разогревом кремниевой структуры РВД. Построенная во второй главе аналитическая модель амбиполярного дрейфа плазмы в условиях нестационарного джоулева разогрева позволяет рассчитывать неизотермические характеристики ис о для сверхмощных РВД при любых формах .ко. Полученные теоретические кривые хорошо описывают экспериментальные результаты.

Допустимая степень перегрева т^ кремниевой структуры РВД определяется порогом ее термомеханического разрушения, но нахождение точного значения т^ затруднено ввиду большого разнообразия возможных сценариев аварии. Среди них можно условно выделить такие. когда происходит однородное по-площади разрушение приборов: расплавление контактов, растрескивание кристалла, отслоение плоскостей скола и т. д. Если в этом случае известна максимально допустимая температура перегрева полупроводниковой структуры т . то. используя динамические распределения тех.о, найденные во второй главе, можно получить критерий предельной тепловой прегрузки приборов. В практически важном, случае т0х» т0-сопа(., характерном для редких одиночных импульсов, условие ограничения их параметров принимает вид: 2/3

Г,1 ц1'3« йГ(С/Г1 ->алГГ 1 11 -СТ /Г.„э^"1 Л ; ОбЭ

I » И.1 (. П О кр )

!' , -0.1 '5 ! ;

г -рабочая площадь прибора; I -полный ток.

Видало, область действия механизмов разруаеття при многократных теялог« перогрузкчх легат в диапазоне температур -1000 к и вида. Кцк показывают оценки, продельная плотность тока при ' этом

ровна лго~ю-11 кА/см2 С1Ш~30 мкс). что хорошо соответствует экспериментальным результатам для сверхмоцныхРВД.

К другой группе причин, вызывающих аварию, следует отнести возможную смену механизма модуляции проводимости п-базы на более быстрый, чем инжекция носителей заряда из эмиттеров, например. разните термогенерационых процессов. В этом случае, задавая в выражении сю критическую температуру т=тк^ для плоскости максимального разогрева можно получить предель-

ную длительность импульса при заданной плотности тока. Полученное таким образом условие тем сильнее отличается от условия с 163, чем больше разница между т^ и температурой начала термогенерации тж.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Построена теоретическая модель амбиполярного дрейфа плазмы в условиях нестационарного дкоулева разогрева с учетом рекомбинации Шокли-Рида.

г. Найдены выражения, описывающие динамические распределения электрического поля и.температуры в канале двойной инжекции при его разогреве импульсом тока микросекундной длительности, а также получены формулы для вычисления падения напряжения.

3. Показано, что при разогреве канала двойной инжекции мощным импульсом тока интенсивность тепловыделения резко неоднородна вдоль линии тока. При этом в наиболее горячей области возможно возникновение положительной обратной связи между тем-' пературой и электрическим полем, ведущей к ускоренному росту тепловыделения.

4. Построена теоретическая модель возникновения и распространения области термогенерации в широкозонном полупроводнике с примесными центрами генерационного типа при его разогреве токами двойной инжекции.

з. Показано, что при соизмеримости времен перезарядки генерационных центров с длительностями рабочих импульсов явления, связанные с термогенерацией электронов и дырок, приобретают характер "волны" повышенной концентрации плазмы и температуры, распространяющейся'от катода к аноду. Темп этого процесса определяется параметрами пропускаемого импульса тока.

с. В области термогенерции получены выражения для динами-

ческих распределений концентрации плазмы. температуры и электрического поля. Рассчитано влияние эффекта на падение напряке-ния в токовом канала.

7. Установлено количественное влияние следувдих Физических факторов на зффзктжгасть управления быстродействующих РВД:

а) рекомбинационные потере как на этапе накачки, так и основного импульса т0кз;

б) потери части вкачиваемого заряда' на разрядку емкости коллекторного перехода;

в) потери части накопленного заряда на разрядку обратно-скещен-' ного катодного эмиттера;

г) потери, связанные с длительностью процесса установления дрейфэвого механизма инкекции на начальном этапе коммутации.

е. Найден общий для двух типов РВД критерий реализации квазидиодного режима их работы. На его основе разработана методика расчета характеристик управления быстродействующих РВД.Наблюдается хорошее соответствие мег.щу теоретическими результатами и экспериментальными данню.-и.

а. Разработана методика для полного аналитического описания взаимо-согласовзгашх инфекционного и теплового процессов в РВД и мощных диодах микросекундного диапазона времен.

ю. Рассчитаны неизотемические переходные характеристики сверхмощных РВД. Достигнуто хорошее согласование теоретических зависимостей исо с экспериментальными дакни;.®.

11. Сформулированы критерии максимальной тепловой перегрузи сверхмощных РВД. позволяющие определять предельно-допустимые параметры коммутируемых импульсов. Расчеты хорошо совпадают с многочисленными экспериментальными результатами.

Научные результаты дасссертационной работы содержатся в следующих публикациях:

1. Л. В. Горбатюк. И. Е- Панайотти. Нестационарный дкоулев разогрев кремниевых диодов и динисторов в рекимах коммутации сверхмощных электрических импульсов. Препринт ФТИ игл. А. Ф. Иоффо АН СССР N 1170. Ленинград. 1987. 14с. г. А. В. Горбатюк. М. Е. Панайотти. Волна термсгенерации плазш в кремнии при нестационарном разогреве токами двойной инкок-

. - годик. Препринт ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР n ii7i, Ленинград.

1937. 18C.-

3. А. В. Горбатюк. И. Е. Панайотти Влияние динамического перегрева на работу реверсивно-включаемых динисторов. - Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Импульсная и высокочастотная РВД-электроника". Ленинград, issg. с. s.

4. А.В. Горбатюк. И. Е. Панайотти Динамический перегрев реверсив-но-вшютаемых динисторов. - КТФ. isso. т. ео. в. з. с. 129-133.

s. А. В. Горбатюк. И. Е. Панайотти Термогенерационный пробой канала двойной кнжекции в полулроводшжовой структуре. - ЖТФ. 1991, Т. 61 , в. 6. с. 83-82.

е. А. В. Горбатюк. М. В. Грехов. В. М. Ковров. Л.С.Костина. К. Е. Панайотти Характеристики управления быстродействующих реЕер-спгчо-включаемых динисторов. - Электротехника. Ki : Энерго-атомиздат. 1эзг. n е-е. с. 41-45.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Тучкевич А. В. . Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.:Наука. ises. 177с.

2. Грехов Ш. в: . Козлов А. К.. Костина Л. С.. Яховчук Н. С. Высокочастотные реверсивно-включаемые динисторы. - Электротехника. М.: Энергоатомиздат. isos. и s. с.'10-12.

3. Gorbatyuk л. V. . Grekhov I. V. , Nal i vki n A. V. Theory of Quasi Diode Operation of Reversly Switched Dinistors. - Solid State Electronics. 1988. v. 31 . N 40. p. 1403-1491.

РТП ПИЛО, зак.1, тир.100,уч.-изд.л.1; 23/ХП-1992 г. Бесплатно